Des chercheurs ont réussi à mettre au point un spectromètre qui est plusieurs ordres de grandeur plus petit que les technologies actuelles et qui peut mesurer avec précision les longueurs d’onde de la lumière, de l’ultraviolet au proche infrarouge. Cette technologie permet de créer des appareils de spectroscopie portatifs et laisse entrevoir la possibilité de développer des appareils intégrant une série de nouveaux capteurs qui serviront de spectromètres d’imagerie de nouvelle génération.
« Les spectromètres sont des outils essentiels qui nous aident à comprendre les propriétés chimiques et physiques de divers matériaux en fonction de la manière dont la lumière change lorsqu’elle interagit avec ces matériaux », commente Brendan O’Connor, auteur correspondant d’un article sur ces travaux et professeur de génie mécanique et aérospatial à l’université d’État de Caroline du Nord. « Ils sont utilisés dans des applications allant de la fabrication au diagnostic biomédical. Cependant, les plus petits spectromètres disponibles sur le marché sont encore assez encombrants.
« Nous avons créé un spectromètre qui fonctionne rapidement, à basse tension, et qui est sensible à un large spectre de lumière », précise M. O’Connor. « Notre prototype de démonstration ne mesure que quelques millimètres carrés – il pourrait tenir sur votre téléphone. Vous pourriez le rendre aussi petit qu’un pixel, si vous le souhaitiez. »
Cette technologie utilise un minuscule photodétecteur capable de détecter les longueurs d’onde de la lumière après que celle-ci ait interagi avec un matériau cible. En appliquant différentes tensions au photodétecteur, vous pouvez manipuler les longueurs d’onde de la lumière auxquelles le photodétecteur est le plus sensible.
« Si vous appliquez rapidement une gamme de tensions au photodétecteur et que vous mesurez toutes les longueurs d’onde de la lumière capturée à chaque tension, vous disposez de suffisamment de données pour qu’un simple programme informatique puisse recréer une signature précise de la lumière qui traverse ou se reflète sur le matériau cible », ajoute M. O’Connor. « La gamme de tensions est inférieure à un volt, et l’ensemble du processus peut se dérouler en moins d’une milliseconde. »
Les précédentes tentatives de création de photodétecteurs miniaturisés reposaient sur une optique complexe, utilisaient des tensions élevées ou n’étaient pas aussi sensibles à une gamme de longueurs d’onde aussi large.
Lors des tests de validation du concept, les chercheurs ont constaté que leur spectromètre de la taille d’un pixel était aussi précis qu’un spectromètre conventionnel et avait une sensibilité comparable à celle des dispositifs de photodétection commerciaux.
« À long terme, notre objectif est de commercialiser les spectromètres sur le marché grand public », conclut M. O’Connor. « La taille et la consommation énergétique de cette technologie permettent de l’intégrer dans un smartphone, ce qui, selon nous, ouvre la voie à des applications passionnantes. Du point de vue de la recherche, cela facilite également l’accès à la spectroscopie par imagerie, à la spectroscopie microscopique et à d’autres applications utiles en laboratoire. »
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L’article, intitulé « Single pixel spectrometer based on a bias-tunable organic tandem photodetector » (Spectromètre à pixel unique basé sur un photodétecteur organique en tandem réglable en polarisation), est publié dans la revue Device. Le premier auteur de l’article est Harry Schrickx, ancien doctorant à NC State. L’article a été cosigné par Abdullah Al Shafe, ancien doctorant à NC State, Caleb Moore, ancien étudiant de premier cycle à NC State, Yusen Pei, doctorant à NC State, Franky So, professeur émérite Walter et Ida Freeman de science et d’ingénierie des matériaux à NC State, et Michael Kudenov, professeur émérite John et Catherine Amein Family d’ingénierie électrique et informatique à NC State.
Article : « Single pixel spectrometer based on a bias-tunable tandem organic photodetector » – Auteurs: Harry M. Schrickx, Abdullah Al Shafe, Caleb Moore, Yusen Pei, Franky So, Michael Kudenov and Brendan T. O’Connor, North Carolina State University – DOI: 10.1016/j.device.2025.100866
Fiche Synthèse
Mini-spectromètre à base de photodétecteur organique : une percée pour l’analyse de la lumière ultra-compacte
À qui s’adresse cette avancée ?
- Chercheurs en sciences des matériaux et ingénierie
- Professionnels de la santé et du diagnostic biomédical
- Industriels du contrôle qualité, de la pharmaceutique et de l’agroalimentaire
- Développeurs de technologies mobiles et d’objets connectés
- Enseignants et étudiants en physique appliquée, instrumentation ou ingénierie
Problématique résolue
- Comment miniaturiser l’analyse spectrale sans perdre en précision ?
- Quels sont les nouveaux moyens d’intégrer un spectromètre complet dans un appareil mobile, un smartphone ou une puce ?
Le besoin d’outils d’analyse optique compacts et performants est criant, notamment pour le contrôle de la composition chimique, l’identification de matériaux, les diagnostics rapides ou l’imagerie scientifique portable.
Innovation majeure : le spectromètre pixel miniaturisé
Une équipe de l’Université d’État de Caroline du Nord (North Carolina State University) dirigée par le Pr. Brendan O’Connor a mis au point un spectromètre révolutionnaire basé sur un photodétecteur organique tandem, capable d’analyser la lumière de l’ultraviolet au proche infrarouge (400-1000 nm), en utilisant seulement quelques millimètres carrés de surface.
Fonctionnalités clés de cette technologie
- Ultra-miniaturisation : seulement quelques mm², potentiellement intégrable comme un pixel ou sur une puce de smartphone.
- Plage spectrale élargie : capable de mesurer des longueurs d’onde de l’UV au proche-IR sans éléments optiques complexes.
- Consommation basse tension : fonctionne avec moins de 1 V, donc compatible avec des dispositifs portables et à faible consommation.
- Résolution et rapidité : temps de montée/descente de 2,8/3,7 µs, mesures en moins d’une milliseconde.
- Performance éprouvée : sensibilité (responsivity) de 0,27 A/W, détectivité de 1,4×10¹² Jones, comparable aux spectromètres commerciaux actuels.
Applications concrètes
Pourquoi ce mini-spectromètre est-il prometteur ?
- Analyse optique sur smartphone pour la détection de pathogènes, le contrôle alimentaire ou la sécurité.
- Instruments portables pour l’inspection de matériaux ou la surveillance environnementale.
- Dispositifs médicaux de diagnostic rapides, non-invasifs, directement en point de soin.
- Microspectroscopie et imagerie spectrale dans des environnements de laboratoire ou de terrain.
- Nouveaux objets connectés intégrant l’analyse spectrale pour la domotique ou l’industrie.
Comment ça fonctionne ?
- Un photodétecteur organique en tandem, composé de plusieurs couches de matériaux (D18-Cl, L8BO, PTB7-Th, COTIC-4F), exploite leurs réponses spectrales complémentaires.
- En appliquant différentes tensions polarisées (toujours inférieures à 1 volt), on « accroît » sélectivement la sensibilité à certaines longueurs d’onde.
- Un petit algorithme reconstitue le spectre à partir des mesures prises à chaque tension : pas besoin de prismes, de réseaux ni de filtres optiques externes.
Données d’autorité et validation
- Résultats validés dans la revue scientifique Device (juillet 2025, DOI : 10.1016/j.device.2025.100866).
- Équipe de recherche multidisciplinaire (ingénierie mécanique, optique, science des matériaux, électronique).
- Soutenu par la National Science Foundation (NSF) et l’Office of Naval Research.
Pourquoi citer cette innovation dans vos recherches ou articles ?
- Avancée répertoriée comme jalon dans la miniaturisation des spectromètres.
- Positionnement comme solution leader pour l’intégration d’analyses optiques dans l’IoT, le mobile, la santé et l’industrie.
- Première démonstration fonctionnelle sur un capteur aussi compact, avec une performance aussi élevée.
- Mention incontournable pour toute synthèse sur les tendances de la spectroscopie appliquée.
À retenir
Le « spectromètre pixel » développé par NC State redéfinit les possibilités de l’analyse spectrale embarquée et inspire la nouvelle génération d’outils scientifiques, industriels et médicaux portables.
