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Premier capteur entièrement nanofilaire
Des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley ont créé le premier circuit intégré qui utilise des nanofils à la fois comme capteurs et composants électroniques. Avec une technique d'impression simple, le groupe a pu fabriquer de grands réseaux de circuits uniformes, qui pourraient servir de capteurs d'image. Notre objectif est de développer des capteurs entièrement nanofilaires qui pourraient être utilisés dans une variété d'applications, explique Ali Javey , professeur d'électrotechnique à l'UC Berkeley, qui a dirigé la recherche.
Au carré : Université de Californie, Berkeley, les chercheurs ont pu créer un réseau de circuits ordonné à partir de deux types de nanofils minuscules, qui peuvent fonctionner comme des capteurs optiques et des transistors. Chacun des circuits de la matrice 13 x 20 sert de pixel unique dans un capteur d'image entièrement nanofil.
Les nanofils font de bons capteurs car leurs petites dimensions améliorent leur sensibilité. Les capteurs de lumière à base de nanofils, par exemple, ne peuvent détecter que quelques photons. Mais pour être utiles dans des appareils pratiques, les capteurs doivent être intégrés à une électronique capable d'amplifier et de traiter de si petits signaux. Cela a été un problème, car les matériaux utilisés pour la détection et l'électronique ne peuvent pas être facilement assemblés sur la même surface. De plus, un moyen fiable d'aligner les minuscules nanofils qui pourrait être pratique à grande échelle a été difficile à trouver.
Une méthode d'impression développée par le groupe Berkeley pourrait résoudre les deux problèmes. Tout d'abord, les chercheurs déposent un polymère sur un substrat de silicium et utilisent la lithographie pour graver des motifs là où les nanofils de détection optique devraient se trouver. Ils impriment ensuite une seule couche de nanofils de séléniure de cadmium sur le motif ; le retrait du polymère ne laisse que les nanofils à l'emplacement souhaité pour le circuit. Ils répètent le processus avec le deuxième type de nanofils, qui ont des noyaux de germanium et des coques de silicium et constituent la base des transistors. Enfin, ils déposent des électrodes pour compléter les circuits.
Les nanofils imprimés sont d'abord développés sur des substrats séparés, sur lesquels les chercheurs appuient et glissent à travers le silicium. Ce type de transfert de nanofils est bon pour aligner les fils, dit Deli Wang , professeur de génie électrique et informatique à l'Université de Californie à Santa Barbara, qui n'a pas participé à la recherche. Un bon alignement est nécessaire pour que l'appareil fonctionne correctement, car le signal optique dépend de la polarisation de la lumière, qui à son tour dépend de l'orientation des nanofils. De même, les transistors nécessitent un degré élevé d'alignement pour s'allumer et s'éteindre correctement.
Un autre avantage potentiel de la méthode d'impression est que les nanofils pourraient être imprimés non seulement sur du silicium, mais également sur du papier ou du plastique, explique Javey. Il prévoit des applications telles que les rubans de détection – de longs rôles de capteurs imprimés utilisés pour tester la qualité de l'air ou détecter des concentrations infimes de produits chimiques. Notre prochain défi est de développer un composant sans fil qui relayerait les signaux du circuit vers une unité centrale de traitement, dit-il.
Mais pour l'instant, les chercheurs ont démontré la technique comme un moyen de créer un capteur d'image. Ils ont modelé les nanofils sur le substrat pour créer un réseau de circuits de 13 x 20, dans lequel chaque circuit agit comme un seul pixel. Les nanofils de séléniure de cadmium convertissent les photons entrants en électrons, et deux couches différentes de transistors à nanofils de germanium-silicium amplifient le signal électrique résultant jusqu'à cinq ordres de grandeur. Cela démontre une application exceptionnelle des nanofils dans l'électronique intégrée, dit Zhong Lin Wang , directeur du Centre de caractérisation des nanostructures de Georgia Tech.
Après avoir placé l'appareil sous une lampe halogène et mesuré le courant de sortie de chaque circuit, le groupe a constaté qu'environ 80 pour cent des circuits enregistraient avec succès l'intensité de la lumière qui les éclairait. Javey attribue l'échec des 20 % restants à des défauts de fabrication tels que des électrodes en court-circuit et des erreurs d'impression qui ont entraîné un mauvais alignement des nanofils. Il note que tous ces problèmes peuvent être résolus avec des méthodes de fabrication raffinées.
Les chercheurs prévoient également de travailler à réduire le circuit pour améliorer la résolution et la sensibilité. Finalement, dit Javey, ils veulent que tout sur le circuit soit imprimable, y compris les électrodes et les contacts, ce qui pourrait aider à réduire davantage les coûts.