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Les nouvelles possibilités des semiconducteurs utilisant le phosphore noir

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Par Wisse Hettinga

Le phosphore noir (BP) est utilisé pour fabriquer deux types de dispositifs optoélectroniques : les diodes électroluminescentes (DEL) et les photodétecteurs. Ce que les chercheurs ont découvert, c’est que sous une contrainte mécanique, le BP peut être amené à émettre ou à détecter de la lumière infrarouge (IR) dans une gamme de longueurs d’onde souhaitables – de 2,3 à 5,5 micromètres (µm), qui s’étend sur l’IR à ondes courtes à moyennes – et de le faire de manière réversible à température ambiante.

Les résultats, disent les chercheurs, sont importants non seulement pour la capacité d’atteindre ces longueurs d’onde, mais pour le faire de manière réglable et dans un seul composant. La technologie actuelle nécessiterait plusieurs dispositifs encombrants et différents matériaux semiconducteurs pour obtenir des résultats similaires.

Une telle capacité à utiliser une gamme plus large du spectre IR, réglable au sein d’un seul composant, pourrait aider à répondre à la demande croissante pour une gamme d’applications, notamment les communications optiques, l’imagerie thermique, la surveillance de la santé, la spectroscopie, la détection chimique, etc. Pour démontrer cette flexibilité, les chercheurs ont utilisé l’un de leurs nouveaux composants pour détecter plusieurs gaz.

Les chercheurs ont découvert que l’utilisation de fines couches de BP dans les dispositifs optoélectroniques et leur soumission à divers degrés de contrainte entraînent des longueurs d’onde de sortie réglables de manière réversible sur une plage étonnamment large. La longueur d’onde de sortie du BP et d’autres matériaux semiconducteurs est une propriété connue sous le nom de bande interdite.

La gamme spectrale sur laquelle un dispositif optoélectronique peut fonctionner est largement déterminée par la bande interdite de son matériau semiconducteur, avec différentes approches pouvant être utilisées pour atteindre la longueur d’onde de fonctionnement souhaitée pour une application donnée. Par exemple, des alliages – des matériaux de composition variable – et des contraintes peuvent être utilisés pour régler la bande interdite.

Bien que ces approches soient effectivement efficaces, disent les chercheurs, elles aboutissent à des dispositifs avec des longueurs d’onde de fonctionnement fixes. « Dans notre travail », explique le boursier postdoctoral Hyungjin Kim, co-auteur d’une étude sur la recherche, « nous pouvons modifier activement la bande interdite du phosphore noir de telle sorte qu’un seul photodétecteur ou LED puisse modifier ses longueurs d’onde de fonctionnement dans, à peu près, la plage de deux à cinq micromètres. On peut modifier la fréquence autant de fois qu’on veut. »

Les chercheurs disent qu’ils exploitent les propriétés « magiques » du BP – en particulier, son changement de bande interdite sous contrainte, qui est beaucoup plus important que ceux observés avec les matériaux semiconducteurs conventionnels.

« Il y a de l’innovation dans l’appareil lui-même », déclare Ali Javey, titulaire de la chaire Lam Research Distinguished Chair in Semiconductor Processing et professeur de génie électrique, « mais le matériau que nous utilisons, le phosphore noir, possède également des propriétés intrinsèquement uniques [bandgap et sensibilité à la déformation ], et nous combinons ces deux caractéristiques clés.

Le phosphore noir est un matériau bidimensionnel comme le graphène. Dans un processus appelé exfoliation, les chercheurs utilisent du ruban adhésif pour soulever des couches nanométriques du matériau, qui est ensuite transféré sur un substrat polymère flexible, dans ce cas, le polyéthylène téréphtalate glycol (PETG).

« Parce qu’il est mécaniquement flexible, nous pouvons le plier à un rayon souhaité et appliquer de manière contrôlable une contrainte au BP », explique Kim. C’est-à-dire que la flexion devient un bouton efficace pour moduler la bande interdite du BP. En plus de la bande interdite, disent les chercheurs, le BP présente des propriétés uniques dépendantes de la contrainte qui incluent également une interaction de van der Waals et une piézoélectricité réglables. Une pression peut être appliquée au BP de manière réversible en raison de sa nature de membrane mince.

Dans une des applications, les chercheurs ont utilisé une technique appelée détection de gaz IR non dispersive. Parce que chaque gaz a sa propre bande d’absorption – c’est-à-dire la quantité de lumière qu’il absorbe à une longueur d’onde spécifique – une LED IR accordable d’une plage de longueurs d’onde de sortie suffisante pourrait détecter, par exemple, le dioxyde de carbone expulsé par la respiration humaine. C’est parce que le gaz absorbe la lumière à environ 4,3 micromètres, qui se trouve dans la plage du composant de 2,3 à 5,5 micromètres. D’autres gaz détectables avec les LED BP accordables incluent le méthane et l’eau.

Une application pour les photodétecteurs BP pourrait être l’imagerie thermique – par exemple, elle pourrait être utilisée dans des lunettes de vision nocturne pour détecter toute source de chaleur exothermique comme les corps humains. De tels photodétecteurs accordables seraient capables de produire une imagerie thermique sélective sur une gamme de longueurs d’onde IR. Du point de vue des matériaux, il y a beaucoup d’intérêt à identifier de nouveaux semiconducteurs plus efficaces dans cette gamme de longueurs d’onde, expliquent les chercheurs.

« C’est à ce moment-là que nous avons commencé à nous intéresser au phosphore noir », explique Javey, « car il était déjà connu pour avoir une bande interdite qui chevauche l’IR à mi-longueur d’onde. À partir de là, nous avons examiné comment créer des dispositifs efficaces tels que des LED et des photodétecteurs utilisant ce matériau. Mais ce qui est nouveau ici, c’est l’accordabilité – que vous pouvez ajuster activement le composant avec une contrainte sur une large plage de longueurs d’onde.

Pour aller de l’avant, dit Javey, « je pense que ce concept de composant peut être appliqué à d’autres parties du spectre, peut-être même en créant des composants qui pourraient fonctionner dans le régime visible. Cela pourrait permettre de nouveaux types d’écrans, par exemple, si ces concepts et matériaux peuvent être incorporés de manière manufacturable et évolutive, avec des dispositifs électromécaniques miniaturisés.

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voir aussi: « Actively variable-spectrum optoelectronics with black phosphorus. »


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