Photocellule à base de graphène 25.09.2013

Trois groupes de physiciens à la fois: d'Autriche, de Hong Kong et des États-Unis ont présenté des prototypes de photodétecteurs à base de graphène. Ces dispositifs convertissent les signaux optiques infrarouges en impulsions électriques, et l'efficacité des photodétecteurs au graphène est supérieure à celle des dispositifs similaires de type traditionnel.

Les trois développements sont quelque peu différents les uns des autres, mais ils utilisent tous la caractéristique clé du graphène - la capacité de convertir des quanta de lumière avec différentes énergies en impulsions électriques. Les photodétecteurs traditionnels fonctionnent du fait qu'un quantum de lumière transfère suffisamment d'énergie à un porteur de charge pour surmonter une barrière de potentiel, un écart entre les niveaux d'énergie dans un semi-conducteur, mais le graphène n'est pas un semi-conducteur "complet" et il n'a pas de so- appelée bande interdite.

En raison de l'absence de bande interdite, les détecteurs de graphène ont pu enregistrer (dans le cas du développement d'un groupe de l'Université chinoise de Hong Kong) des quanta de lumière dans le domaine de l'infrarouge moyen, avec une longueur d'onde de 1,55 à 2,75 micromètres . Les auteurs affirment que leur détecteur est capable de fonctionner à température ambiante, bien que les analogues du germanium avec une sensibilité dans la même gamme nécessitent un refroidissement avec de l'azote liquide. Comme l'explique Nature News, fonctionner à température ambiante pourrait faciliter l'identification des produits chimiques dans l'atmosphère et rendre les études biochimiques plus accessibles à des fins de diagnostic.

Un membre du groupe américain, Dirk Englund, physicien au Massachusetts Institute of Technology, a également souligné que le taux de transfert de données via des photodétecteurs à base de graphène était de 12 gigabits par seconde, c'est-à-dire qu'il s'est avéré comparable aux dispositifs à semi-conducteurs conventionnels. . Selon ses prévisions, la transition rapide vers le graphène se produira lorsque les scientifiques et les technologues apprendront à synthétiser ce matériau bidimensionnel en quantités industrielles avec une qualité constante : c'est aujourd'hui le principal obstacle à l'électronique du graphène.

L'absence de bande interdite, explique l'un des scientifiques qui ont créé les nouveaux détecteurs, Thomas Müller de l'Institut de technologie de Vienne, en a fait un matériau idéal pour un appareil qui convertit les impulsions infrarouges en impulsions électriques.

Muller a expliqué (et ces explications sont vraies pour les trois appareils décrits dans Nature Photonics) que le graphène promet d'être moins cher que le germanium traditionnel, et que les opérations avec le graphène ont déjà été suffisamment développées au niveau technologique. Le problème clé qui empêchait plus tôt la création de photodétecteurs au graphène était la transparence du matériau : le graphène, qui transmet la lumière et le rayonnement infrarouge, était mal adapté à un dispositif dont l'action, par définition, est associée à l'absorption du rayonnement. Les premiers échantillons de détecteurs obtenus en 2009 puis décrits dans Nature Nanotechnology avaient une efficacité très faible en raison de leur transparence, et il était impossible de parler de l'application pratique de tels dispositifs. Le problème vient seulement d'être résolu : le courant émis par les détecteurs lors de l'éclairage n'a pas encore atteint la valeur typique des appareils au germanium, mais a déjà dépassé de plus de 50 fois les résultats de 2009. Selon tous les développeurs, l'écart sera bientôt comblé ; de plus, les nouveaux détecteurs ont déjà dépassé le germanium dans d'autres paramètres.

En raison de la plus grande mobilité des porteurs de charge par rapport au silicium et à de nombreux semi-conducteurs, le graphène est considéré comme un matériau prometteur pour les appareils électroniques. Ses inconvénients incluent l'absence de bande interdite dans le graphène non modifié, ainsi que la complexité technologique de l'obtention de grandes feuilles homogènes.