Les chercheurs de l’Institut d’optique, de mécanique fine et de physique de Changchun de l’Académie chinoise des sciences et de l’Université de Pékin ont développé une nouvelle technique pour améliorer la qualité des films de bismuth isolants topologiques à utiliser dans les photodétecteurs à ultra large bande. L’étude a été publiée dans Optique Express.
Les chercheurs ont utilisé un traitement au laser femtoseconde pour améliorer de manière significative la conversion photoélectrique et le transport des porteurs des films de bismuth, qui limitaient auparavant les propriétés optoélectroniques du matériau.
Le bismuth est un type d’isolant topologique, une classe de matériaux qui ont des propriétés uniques telles que des états de bord sans espace et des états de masse isolants. Ces propriétés les rendent prometteurs pour la fabrication de photodétecteurs à température ambiante, à large bande passante et hautes performances qui peuvent couvrir les gammes ultraviolette à infrarouge lointain et même térahertz. Cependant, les films de bismuth souffrent souvent d’une rugosité de surface élevée et de joints de grains évidents, ce qui peut affecter la photoréactivité, un facteur clé pour les photodétecteurs à ultra-large bande à isolant topologique.
Pour surmonter ce défi, les chercheurs ont utilisé un traitement au laser femtoseconde pour modifier la morphologie de surface et les propriétés physicochimiques des films de bismuth.
Le laser femtoseconde est une approche intrigante qui peut fournir une fabrication de haute précision sans contact sur divers matériaux en raison de sa puissance de crête ultra-élevée et de ses caractéristiques de durée ultra-courte. En ajustant les paramètres laser tels que l’énergie des impulsions et la vitesse de balayage, les chercheurs ont pu réduire la rugosité de surface moyenne à moins de 10 nm, tout en éliminant les joints de grains sur l’interface. Cela a entraîné une amélioration remarquable du transport des porteurs et de la conversion photoélectrique.
Les chercheurs ont ensuite fabriqué un dispositif optoélectronique sur une grande surface du film de bismuth traité efficacement avec des conditions de focalisation cylindriques. Ils ont mesuré la photoréactivité de l’appareil sous différentes longueurs d’onde de lumière allant du visible à l’infrarouge moyen (MIR), et ont constaté que par rapport à l’échantillon vierge, le film de bismuth traité au laser présentait une double augmentation de la photoréactivité dans un ultra- large spectre, même à température ambiante.
Les chercheurs suggèrent que cette méthode peut être davantage utilisée pour améliorer la qualité d’autres isolants topologiques, ce qui pourrait favoriser leur application dans le domaine de la détection photoélectrique ultra-large bande. Ils espèrent également que leurs travaux pourront inspirer davantage d’études sur le traitement laser femtoseconde pour moduler les matériaux quantiques topologiques.
Plus d’information:
Yucai Lin et al, laser femtoseconde améliorant la qualité des films de bismuth pour améliorer la photodétection ultra-large bande, Optique Express (2023). DOI : 10.1364/OE.482018