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Les cristaux photoniques tridimensionnels brillent
Pour la première fois, des chercheurs ont fabriqué des cristaux photoniques tridimensionnels de haute qualité et les ont utilisés pour fabriquer une diode électroluminescente (DEL) très efficace. Les cristaux photoniques tridimensionnels promettent d'améliorer les performances de n'importe quel appareil optique, qu'il s'agisse d'un écran, d'une cellule solaire ou d'une ampoule efficace, mais jusqu'à présent, personne n'avait été en mesure de les fabriquer en utilisant des méthodes commercialement viables ou des matériaux exploitables. . Des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign travaillent maintenant sur des cellules solaires basées sur les structures.
Remplissage de cristal : Cette illustration montre de l'arséniure de gallium (bleu) poussant autour d'un gabarit pour créer un cristal photonique tridimensionnel.
Les cristaux photoniques peuvent contrôler l'absorption, l'émission et le mouvement de la lumière de manière très précise en fonction de leur structure. Ils ont été un domaine de recherche brûlant depuis la fin des années 1980. Jusqu'à présent, il n'était pratique que de fabriquer des cristaux photoniques plats et bidimensionnels. Ceux-ci contrôlent très bien le mouvement de la lumière dans les deux dimensions, mais pas parfaitement dans la troisième. Pourtant, ils ont eu beaucoup de succès. Une société appelée Luxtera , par exemple, a développé des moyens de construire des interconnexions optiques à base de cristaux photoniques directement sur des puces informatiques. Rapprocher les signaux optiques des processeurs informatiques permet d'accélérer la transmission des données, et l'utilisation de cristaux photoniques permet de garder la taille de ces liens compacte. Lumineux s'est concentré sur les LED, pour lesquelles les cristaux aident à améliorer le rendement lumineux, rendant ces appareils plus lumineux et plus économes en énergie.
Cependant, les cristaux photoniques tridimensionnels feraient des dispositifs optiques encore meilleurs. Le principal avantage est que vous pouvez vraiment contrôler la propagation de la lumière dans toutes les dimensions, explique Paul Braun , professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université de l'Illinois. Braun dirige les travaux sur les cristaux photoniques tridimensionnels, et son groupe travaille également à la fabrication de cellules solaires à partir des cristaux.
La fabrication de ces structures est délicate. Les structures cristallines photoniques varient, mais elles sont souvent fabriquées en perçant des trous, des tiges et d'autres caractéristiques à l'échelle nanométrique dans un matériau. La modélisation d'une dalle plate de matériau avec les structures nanométriques nécessaires pour fabriquer un cristal photonique bidimensionnel est un processus relativement simple. Il est beaucoup plus difficile d'obtenir ce type de motif dans un gros morceau de matériau pour créer une structure tridimensionnelle sans dégrader le matériau. Et les types de cristaux photoniques les plus utiles - ceux qui peuvent convertir activement les signaux électriques et optiques, en plus de manipuler avec précision le flux de lumière - sont les plus difficiles à fabriquer car des défauts matériels sont introduits au cours du processus. Cette conversion lumière-électricité et retour est essentielle dans les LED, les cellules solaires et les interconnexions de données optiques pour l'informatique.
Le groupe de l'Université de l'Illinois a fabriqué des cristaux photoniques tridimensionnels de haute qualité en les faisant croître sur un modèle, de bas en haut, plutôt qu'en essayant d'introduire les motifs à l'échelle nanométrique dans des morceaux de matériau. Les chercheurs commencent par fabriquer le gabarit, des piles de sphères nanométriques emballées. Ils placent ensuite le gabarit à l'intérieur d'une chambre de dépôt en phase vapeur et s'écoulent dans une série de gaz contenant du gallium et de l'arséniure. Les matériaux se déposent sur le gabarit et se développent autour de celui-ci. C'est comme remplir d'eau une boîte de balles de ping-pong : la matière qui s'y écoule comble les espaces entre les sphères. Ensuite, ils enlèvent chimiquement les sphères, laissant derrière eux un cristal photonique tridimensionnel, un morceau d'arséniure de gallium cristallin criblé de trous à l'échelle nanométrique.
L'arséniure de gallium est utilisé pour fabriquer des dispositifs optiques tels que des photodétecteurs, mais sa transformation en cristaux photoniques tridimensionnels n'était pas possible auparavant. Les chercheurs de l'Illinois ont non seulement pu fabriquer un cristal photonique tridimensionnel à partir du matériau, mais ils ont également pu l'utiliser pour fabriquer une LED alimentée par un courant électrique.
J'ai attendu longtemps que quelqu'un accomplisse ce que [le groupe de l'Illinois] a accompli, dit Eli Yablanovitch , professeur de génie électrique et d'informatique à l'Université de Californie à Berkeley. À la fin des années 1980, Yablanovitch a effectué une partie des travaux fondamentaux sur les cristaux photoniques, avançant l'idée que certaines conceptions peuvent émettre de la lumière de manière très contrôlée, utile pour les LED.
Yablanovitch dit qu'il est difficile de prédire ce qui résultera de ce travail, et quand, parce que personne n'a fait de cristaux photoniques tridimensionnels pratiques auparavant. Certaines des applications les plus convaincantes sont déjà remplies par des cristaux photoniques bidimensionnels, dit-il. S'il devient aussi facile de fabriquer des cristaux photoniques tridimensionnels que de fabriquer leurs homologues plats déjà dans des produits, ils seraient toujours le premier choix, explique Yablanovitch.
La technologie est probablement encore à plusieurs années de la commercialisation, dit Braun.