Un thermomètre optoélectronique basé sur des dispositifs de conversion infrarouge-visible à l’échelle microscopique

La détection de température à résolution spatiale et temporelle de haute précision est essentielle et a de nombreuses applications dans divers domaines, tels que la fabrication industrielle, la protection de l’environnement et la surveillance des soins de santé. Les capteurs optiques offrent des solutions intéressantes pour la surveillance de la température dans les diagnostics biomédicaux, en raison de leurs avantages de détection à distance, d’intrusion minimale, d’immunité aux interférences électromagnétiques et de haute résolution. Ces modalités de détection optique peuvent être basées sur l’intensité lumineuse, la longueur d’onde, la largeur de pic et/ou la durée de vie de décroissance. Le mécanisme de conversion ascendante atténue l’autofluorescence biologique, facilite la pénétration des tissus et produit des signaux lumineux visibles facilement visualisés et facilement capturés, présentant une méthode plus appropriée pour la détection dans les systèmes biologiques

Dans un nouvel article publié dans Sciences de la lumière et applications, une équipe de scientifiques dirigée par le Dr He Ding de l’École d’optique et de photonique de l’Institut de technologie de Pékin, le professeur Xing Sheng du Département d’ingénierie électronique de l’Université de Tsinghua et ses collègues ont développé un système optoélectronique NIR-to-visible dispositif de conversion ascendante basé sur des hétérostructures semi-conductrices conçues, présentant une réponse linéaire, une dynamique rapide et une faible puissance d’excitation. Les caractéristiques de photoluminescence dépendant de la température du dispositif optoélectronique de conversion ascendante sont systématiquement étudiées et sa capacité de détection thermique est démontrée.

La stratégie de détection de température proposée est basée sur un dispositif optoélectronique de conversion ascendante entièrement intégré composé d’une photodiode à double jonction à base d’arséniure de gallium (GaAs) à faible bande interdite et d’une diode électroluminescente (DEL) à base de phosphure d’indium et de gallium (InGaP) à large bande interdite. connecté en série. Comme démontré précédemment, les dispositifs à microéchelle définis par lithographie et libérés par épitaxie (taille ~ 300 × 300 μm2) réalisent une conversion ascendante NIR-visible efficace avec une réponse linéaire et une dynamique ultra-rapide.

Sous excitation lumineuse dans le proche infrarouge dans la gamme de longueurs d’onde de 770 à 830 nm, l’émission rouge du dispositif optoélectronique de conversion ascendante s’accompagne d’une diminution de l’intensité et d’un décalage vers le rouge du pic d’émission de 625 nm à 637 nm avec l’augmentation de la température. Sur la base de facteurs synergiques attribués aux caractéristiques des matériaux et à la conception de la structure, une sensibilité intensité-température d’environ 1,5 % °C-1 et une sensibilité spectre-température d’environ 0,18 nm °C-1 sont atteintes.

Avec un thermomètre optique à conversion ascendante optoélectronique aussi robuste, les scientifiques proposent plusieurs applications :

« Grâce à un réseau de dispositifs de conversion ascendante optoélectroniques de grande surface, nous pouvons effectuer une détection thermique résolue dans l’espace. Par exemple, nous utilisons des pistolets à air comprimé pour générer un flux d’air chaud qui souffle sur l’échantillon, perturbe et finit par éteindre l’émission de conversion ascendante. Selon la relation entre l’intensité des émissions et la température, nous pouvons obtenir la distribution spatiale et les changements de température en temps réel », a déclaré He Ding de l’Institut de technologie de Pékin.

« Le dispositif de conversion ascendante peut être libéré du substrat développé et intégré à la fibre optique pour former des capteurs thermiques guidés par la lumière. En complément des capteurs électriques captifs, une telle technique basée sur l’optique est plus adaptée à une utilisation dans des environnements à fortes interférences électromagnétiques, et en particulier, capable d’obtenir des signaux pendant l’imagerie par résonance magnétique (IRM).Un tel système portable couplé à des fibres peut être commodément appliqué pour des applications biomédicales, par exemple, la surveillance du comportement d’expiration près de la bouche des tissus humains et profonds avec l’implantation dans le cerveau de la souris, comme démonstration de preuve de concept », a déclaré Xing Sheng de l’Université Tsinghua.

« Les capteurs implantables compatibles IRM combinés à la fibre optique offrent à la fois une importance pour la recherche et clinique, avec un potentiel de surveillance localisée de la température dans le corps profond. Ces matériaux et concepts d’appareils établissent un ensemble d’outils électriques avec de vastes applications dans l’environnement et les soins de santé,  » a conclu Xing Sheng.