Le phosphore noir (BP) est utilis\u00e9 pour fabriquer deux types de dispositifs opto\u00e9lectroniques : les diodes \u00e9lectroluminescentes (DEL) et les photod\u00e9tecteurs. Ce que les chercheurs ont d\u00e9couvert, c’est que sous une contrainte m\u00e9canique, le BP peut \u00eatre amen\u00e9 \u00e0 \u00e9mettre ou \u00e0 d\u00e9tecter de la lumi\u00e8re infrarouge (IR) dans une gamme de longueurs d’onde souhaitables – de 2,3 \u00e0 5,5 microm\u00e8tres (\u00b5m), qui s’\u00e9tend sur l’IR \u00e0 ondes courtes \u00e0 moyennes – et de le faire de mani\u00e8re r\u00e9versible \u00e0 temp\u00e9rature ambiante.<\/p>\n
Les r\u00e9sultats, disent les chercheurs, sont importants non seulement pour la capacit\u00e9 d’atteindre ces longueurs d’onde, mais pour le faire de mani\u00e8re r\u00e9glable et dans un seul composant. La technologie actuelle n\u00e9cessiterait plusieurs dispositifs encombrants et diff\u00e9rents mat\u00e9riaux semiconducteurs pour obtenir des r\u00e9sultats similaires.<\/p>\n
Une telle capacit\u00e9 \u00e0 utiliser une gamme plus large du spectre IR, r\u00e9glable au sein d’un seul composant, pourrait aider \u00e0 r\u00e9pondre \u00e0 la demande croissante pour une gamme d’applications, notamment les communications optiques, l’imagerie thermique, la surveillance de la sant\u00e9, la spectroscopie, la d\u00e9tection chimique, etc. Pour d\u00e9montrer cette flexibilit\u00e9, les chercheurs ont utilis\u00e9 l’un de leurs nouveaux composants pour d\u00e9tecter plusieurs gaz.<\/p>\n
Les chercheurs ont d\u00e9couvert que l’utilisation de fines couches de BP dans les dispositifs opto\u00e9lectroniques et leur soumission \u00e0 divers degr\u00e9s de contrainte entra\u00eenent des longueurs d’onde de sortie r\u00e9glables de mani\u00e8re r\u00e9versible sur une plage \u00e9tonnamment large. La longueur d’onde de sortie du BP et d’autres mat\u00e9riaux semiconducteurs est une propri\u00e9t\u00e9 connue sous le nom de bande interdite.<\/p>\n
La gamme spectrale sur laquelle un dispositif opto\u00e9lectronique peut fonctionner est largement d\u00e9termin\u00e9e par la bande interdite de son mat\u00e9riau semiconducteur, avec diff\u00e9rentes approches pouvant \u00eatre utilis\u00e9es pour atteindre la longueur d’onde de fonctionnement souhait\u00e9e pour une application donn\u00e9e. Par exemple, des alliages – des mat\u00e9riaux de composition variable – et des contraintes peuvent \u00eatre utilis\u00e9s pour r\u00e9gler la bande interdite.<\/p>\n
Bien que ces approches soient effectivement efficaces, disent les chercheurs, elles aboutissent \u00e0 des dispositifs avec des longueurs d’onde de fonctionnement fixes. \u00ab\u00a0Dans notre travail\u00a0\u00bb, explique le boursier postdoctoral Hyungjin Kim, co-auteur d’une \u00e9tude sur la recherche, \u00ab\u00a0nous pouvons modifier activement la bande interdite du phosphore noir de telle sorte qu’un seul photod\u00e9tecteur ou LED puisse modifier ses longueurs d’onde de fonctionnement dans, \u00e0 peu pr\u00e8s, la plage de deux \u00e0 cinq microm\u00e8tres. On peut modifier la fr\u00e9quence autant de fois qu’on veut.\u00a0\u00bb<\/p>\n
Les chercheurs disent qu’ils exploitent les propri\u00e9t\u00e9s \u00ab\u00a0magiques\u00a0\u00bb du BP – en particulier, son changement de bande interdite sous contrainte, qui est beaucoup plus important que ceux observ\u00e9s avec les mat\u00e9riaux semiconducteurs conventionnels.<\/p>\n
\u00ab\u00a0Il y a de l’innovation dans l’appareil lui-m\u00eame\u00a0\u00bb, d\u00e9clare Ali Javey, titulaire de la chaire Lam Research Distinguished Chair in Semiconductor Processing et professeur de g\u00e9nie \u00e9lectrique, \u00ab\u00a0mais le mat\u00e9riau que nous utilisons, le phosphore noir, poss\u00e8de \u00e9galement des propri\u00e9t\u00e9s intrins\u00e8quement uniques [bandgap et sensibilit\u00e9 \u00e0 la d\u00e9formation ], et nous combinons ces deux caract\u00e9ristiques cl\u00e9s.<\/p>\n
Le phosphore noir est un mat\u00e9riau bidimensionnel comme le graph\u00e8ne. Dans un processus appel\u00e9 exfoliation, les chercheurs utilisent du ruban adh\u00e9sif pour soulever des couches nanom\u00e9triques du mat\u00e9riau, qui est ensuite transf\u00e9r\u00e9 sur un substrat polym\u00e8re flexible, dans ce cas, le poly\u00e9thyl\u00e8ne t\u00e9r\u00e9phtalate glycol (PETG).<\/p>\n
\u00ab\u00a0Parce qu’il est m\u00e9caniquement flexible, nous pouvons le plier \u00e0 un rayon souhait\u00e9 et appliquer de mani\u00e8re contr\u00f4lable une contrainte au BP\u00a0\u00bb, explique Kim. C’est-\u00e0-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 pr\u00e9sente des propri\u00e9t\u00e9s uniques d\u00e9pendantes de la contrainte qui incluent \u00e9galement une interaction de van der Waals et une pi\u00e9zo\u00e9lectricit\u00e9 r\u00e9glables. Une pression peut \u00eatre appliqu\u00e9e au BP de mani\u00e8re r\u00e9versible en raison de sa nature de membrane mince.<\/p>\n
Dans une des applications, les chercheurs ont utilis\u00e9 une technique appel\u00e9e d\u00e9tection de gaz IR non dispersive. Parce que chaque gaz a sa propre bande d’absorption – c’est-\u00e0-dire la quantit\u00e9 de lumi\u00e8re qu’il absorbe \u00e0 une longueur d’onde sp\u00e9cifique – une LED IR accordable d’une plage de longueurs d’onde de sortie suffisante pourrait d\u00e9tecter, par exemple, le dioxyde de carbone expuls\u00e9 par la respiration humaine. C’est parce que le gaz absorbe la lumi\u00e8re \u00e0 environ 4,3 microm\u00e8tres, qui se trouve dans la plage du composant de 2,3 \u00e0 5,5 microm\u00e8tres. D’autres gaz d\u00e9tectables avec les LED BP accordables incluent le m\u00e9thane et l’eau.<\/p>\n
Une application pour les photod\u00e9tecteurs BP pourrait \u00eatre l’imagerie thermique – par exemple, elle pourrait \u00eatre utilis\u00e9e dans des lunettes de vision nocturne pour d\u00e9tecter toute source de chaleur exothermique comme les corps humains. De tels photod\u00e9tecteurs accordables seraient capables de produire une imagerie thermique s\u00e9lective sur une gamme de longueurs d’onde IR. Du point de vue des mat\u00e9riaux, il y a beaucoup d’int\u00e9r\u00eat \u00e0 identifier de nouveaux semiconducteurs plus efficaces dans cette gamme de longueurs d’onde, expliquent les chercheurs.<\/p>\n
\u00ab C’est \u00e0 ce moment-l\u00e0 que nous avons commenc\u00e9 \u00e0 nous int\u00e9resser au phosphore noir \u00bb, explique Javey, \u00ab car il \u00e9tait d\u00e9j\u00e0 connu pour avoir une bande interdite qui chevauche l’IR \u00e0 mi-longueur d’onde. \u00c0 partir de l\u00e0, nous avons examin\u00e9 comment cr\u00e9er des dispositifs efficaces tels que des LED et des photod\u00e9tecteurs utilisant ce mat\u00e9riau. Mais ce qui est nouveau ici, c’est l’accordabilit\u00e9 – que vous pouvez ajuster activement le composant avec une contrainte sur une large plage de longueurs d’onde.<\/p>\n
Pour aller de l’avant, dit Javey, \u00ab je pense que ce concept de composant peut \u00eatre appliqu\u00e9 \u00e0 d’autres parties du spectre, peut-\u00eatre m\u00eame en cr\u00e9ant des composants qui pourraient fonctionner dans le r\u00e9gime visible. Cela pourrait permettre de nouveaux types d’\u00e9crans, par exemple, si ces concepts et mat\u00e9riaux peuvent \u00eatre incorpor\u00e9s de mani\u00e8re manufacturable et \u00e9volutive, avec des dispositifs \u00e9lectrom\u00e9caniques miniaturis\u00e9s.<\/p>\n
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