Des nanotubes de carbone semi-conducteurs à paroi unique (s-SWCNT) sont utilisés pour développer une troisième génération de photodétecteurs infrarouges à ondes courtes optimisés qui amélioreront la taille des pixels, le poids, la consommation d’énergie, les performances et le coût par rapport aux photodétecteurs fabriqués à partir de matériaux traditionnels.
Les photodétecteurs infrarouges à ondes courtes ultrasensibles, qui détectent un sous-ensemble de longueurs d’onde de lumière infrarouge à ondes courtes en dehors du spectre visuel, ont de nombreuses applications potentielles, notamment la surveillance nocturne, la navigation par mauvais temps, les communications par fibre optique et le contrôle de la qualité des semi-conducteurs.
Les photodétecteurs infrarouges à ondes courtes sont traditionnellement fabriqués à partir de matériaux III-V comme l’arséniure d’indium et de gallium (InGaAs). Les photodétecteurs InGaAs sont chers, cependant, et les recherches actuelles sur des matériaux photodétecteurs alternatifs, tels que les s-SWCNT, réduiront idéalement le coût des photodétecteurs infrarouges à ondes courtes tout en augmentant à la fois les performances et l’efficacité.
Une équipe d’éminents scientifiques de l’Université de Pékin a décrit la technologie actuelle et les défis associés au développement de films s-SWCNT en photodétecteurs infrarouges à ondes courtes pour stimuler la recherche et les applications supplémentaires de la technologie. Les progrès actuels de la technologie de purification des solutions faciliteront le développement de films s-SWCNT de haute pureté adaptés aux dispositifs et applications optoélectroniques de grande surface, homogènes et hautes performances qui détectent et traitent la lumière, y compris les photodétecteurs.
Une optimisation supplémentaire de la pureté, de l’épaisseur, de la clarté et de l’alignement du film doit être obtenue avant que les films s-SWCNT atteignent ou dépassent le niveau de performance des photodétecteurs traditionnels plus coûteux en InGaAs ou en matériaux similaires.
L’équipe a publié son avis dans le numéro du 16 mars de Énergie de recherche nanométrique.
« L’examen des progrès des photodétecteurs à film s-SWCNT peut clarifier l’état actuel de la recherche, les défis et les applications des photodétecteurs à film s-SWCNT et l’intégration optoélectronique », a déclaré Sheng Wang, l’un des auteurs de l’article de synthèse et professeur agrégé à l’École. d’électronique à l’Université de Pékin, en Chine.
« Nous avons décrit la technologie s-SWCNT en trois sections : (1) l’état actuel de la recherche sur les photodétecteurs à film s-SWCNT, (2) l’état actuel de la recherche sur l’intégration optoélectronique monolithique/tridimensionnelle basée sur les photodétecteurs à film s-SWCNT et ( 3) les exigences du film s-SWCNT et de la structure du dispositif pour des photodétecteurs de film s-SWCNT idéaux et une intégration optoélectronique », a déclaré Wang.
« La prochaine étape dans le domaine consiste à améliorer les performances des photodétecteurs à film s-SWCNT en optimisant les films s-SWCNT et la structure du dispositif. Pour l’optimisation du film s-SWCNT, la pureté du semi-conducteur d’un film s-SWCNT uniforme doit être supérieur à 99,9999 % », a déclaré Wang.
Atteindre ces niveaux de pureté n’est pas une mince affaire. Les premières méthodes de purification ont tenté de brûler les impuretés de s-SWCNT après la croissance des films, mais ont abouti à des films présentant de nombreux défauts. Depuis lors, des polymères conjugués ont été utilisés pour purifier les s-SWCNT non seulement des impuretés, mais également par leur diamètre, car différents diamètres de s-SWCNT déterminent les longueurs d’onde que les films peuvent détecter. Récemment, un processus de tri a permis d’atteindre les niveaux de pureté s-SWCNT requis pour l’électronique haute performance.
L’optimisation est également nécessaire dans la préparation du film s-SWCNT, y compris l’épaisseur, la clarté et l’alignement. De nombreuses méthodes ont été développées pour développer des films s-SWCNT, mais les méthodes de dépôt et de revêtement par immersion sont souvent privilégiées pour leur simplicité, leur stabilité et les films homogènes qu’elles produisent. Une méthode évolutive et efficace de revêtement par immersion contrôle le dépôt de s-SWCNT en modifiant simplement le nombre de fois qu’un substrat est soulevé d’un solvant organique de s-SWCNT dispersés et la vitesse de chaque levage.
Le domaine de l’électronique reconnaît le potentiel des s-SWCNT en tant que matériau approprié pour les détecteurs infrarouges à ondes courtes hautes performances, mais un écart de performances important existe entre les photodétecteurs traditionnels, constitués de matériaux tels que InGaAs, et les photodétecteurs à film s-SWCNT. « L’objectif ultime est d’optimiser les performances des photodétecteurs à film s-SWCNT, afin qu’ils soient comparables aux photodétecteurs commerciaux à moindre coût », a déclaré Wang.
Les chercheurs pensent que cette augmentation des performances et la diminution des coûts se traduiront par l’intégration de plus de films photodétecteurs infrarouges à ondes courtes dans les dispositifs et le développement de nouvelles applications optoélectroniques à l’avenir. Le domaine ambitionne également d’intégrer des nanotubes de carbone performants dans les circuits électriques.
Plus d’information:
Xiang Cai et al, Progrès récents du photodétecteur basé sur un film de nanotubes de carbone et application dans l’intégration optoélectronique, Énergie de recherche nanométrique (2023). DOI : 10.26599/NRE.2023.9120058
Fourni par Tsinghua University Press