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Capteurs optiques à la recherche des spectres imperceptibles - Par : Hanen Hattab,

Capteurs optiques à la recherche des spectres imperceptibles


Hanen Hattab
Hanen Hattab est doctorante en sémiologie à l’UQAM. Ses recherches portent sur les pratiques d’art et de design subversifs et contre culturels comme le vandalisme artistique, le sabotage et les détournements culturels.

Les détecteurs de lumière qui distinguent les différentes couleurs sont utilisés dans divers domaines allant de l’imagerie médicale aux recherches géologiques, et sur la faune et la flore effectuées par les satellites. Grâce aux nouvelles recherches en nano-optique, les ingénieurs s’intéressent à la conception des capteurs optiques de haute sensibilité pouvant sonder les longueurs d’onde imperceptibles pour l’œil humain.

Nanophotonique et thermoélectricité

Une équipe de chercheurs du California Institute of Technology (Caltech) a créé un capteur de lumière ayant une structure nanophotonique thermoélectrique résonante 10 à 100 fois plus rapide que les systèmes offrant les mêmes fonctionnalités sur le marché. Dans ces derniers, les photons de lumières absorbés par le détecteur frappent la surface d’un matériau semi-conducteur, provoquant un courant électrique dont la tension permet de distinguer les différentes longueurs d’onde absorbées. Or ce type de systèmes n’est pas capable de capter les infrarouges parce que leur énergie est très faible.

Le détecteur conçu par cette équipe combine deux technologies :

  • Un système capable de manipuler la lumière à l’échelle nano
  • Un système thermoélectrique qui permet de convertir les différentiels de température en courant électrique, où l’énergie produite est mesurée en électron-volt. Cette unité de mesure permet de mesurer des quantités d’énergie très faibles. Elle est utilisée dans la physique des particules.

Ces deux fonctions permettent de distinguer les différentes longueurs d’onde de la lumière, en outre les infrarouges.

Cette technologie promet de fait d’améliorer le rendement des systèmes photovoltaïques et de faciliter le diagnostic et le dépistage de maladies comme le cancer en permettant une meilleure distinction des cellules atteintes.

Le matériau qui rend possible la conversion des longueurs d’onde à très faibles énergies doit, selon cette étude, avoir une structure plus petite que celles-ci. Les chercheurs ont montré que le nanomatériau qu’ils ont créé possède une structure ultrasensible. La nanostructure de ce matériau est 100 fois plus petite que les longueurs d’onde du spectre visible, qui varient environ de 400 à 700 nanomètres. Elle permet notamment de capter un large spectre de lumières confinées dans un petit volume, contrairement aux systèmes existants.

Le capteur nanophotonique va détecter les infrarouges.

Fabrication du matériau

Le matériau a été fabriqué dans le Kavli Nanoscience Institute Cleanroom au Caltech. L’équipe a utilisé un système de vaporisation pour dépôt de couches minces qui permet de déposer à partir d’une solution des couches d’atomes très minces sous forme de brume. Ils ont eu recours aussi à la lithographie à faisceau d’électrons, qui permet de dessiner à l’échelle nano les motifs qui constituent la structure hypersensible de ce matériau. En effet chaque motif est capable de détecter une longueur d’onde bien déterminée.

La déconvolution des signaux électriques correspondant à chaque longueur d’onde par un algorithme permet de les identifier correctement.

Cette structure a été obtenue grâce à la combinaison des alliages de tellurure de bismuth (avec la possibilité d’utiliser aussi le tellurure d’antimoine) et le chromel (qu’on peut remplacer également par un composé appelé alumel). L’équipe a aussi montré qu’il était possible de combiner d’autres alliages en utilisant les mêmes procédés de fabrication.

Selon l’étudiante Kelly Mauser, auteure principale de cette étude, cette recherche a permis de créer un pont entre deux champs de recherches qui se rencontrent rarement à savoir la  nanophotonique et la thermoélectricité.

Cette étude coécrite par Kelly W. Mauser, Seyoon Kim, Slobodan Mitrovic, Dagny Fleischman, Ragip Pala, K. C. Schwab et Harry A. Atwater est intitulée « Resonant thermoelectric nanophotonics ». Elle a été publiée dans la revue Nature Nanotechnology le 22 mai 2017.

Hanen Hattab

Profil de l'auteur(e)

Hanen Hattab est doctorante en sémiologie à l’UQAM. Ses recherches portent sur les pratiques d’art et de design subversifs et contre culturels comme le vandalisme artistique, le sabotage et les détournements culturels.

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