Des capteurs sensibles et rapides pour des applications LIDAR sans danger pour les yeux

Les chercheurs de l’ICFO dévoilent une nouvelle stratégie qui améliore considérablement la performance des points quantiques colloïdaux de tellurure d’argent pour la photodétection dans l’infrarouge à ondes courtes (SWIR), ouvrant ainsi la voie à l’adoption généralisée de détecteurs SWIR dans les applications de l’électronique grand public et de l’automobile.

Le régime de fréquences de l’infrarouge à ondes courtes (SWIR) possède des propriétés uniques qui le rendent idéal pour plusieurs applications, notamment parce qu’il est moins affecté par la diffusion atmosphérique et qu’il est « sans danger pour les yeux ». Parmi ces applications figurent la détection et la télémétrie par ondes lumineuses (LIDAR) – une méthode permettant de déterminer les portées et les distances à l’aide de lasers -, la localisation et la cartographie spatiales, l’imagerie des conditions météorologiques défavorables pour la surveillance et la sécurité automobile, la surveillance de l’environnement, et bien d’autres encore.

Cependant, la lumière SWIR est actuellement confinée à des niches, comme l’instrumentation scientifique et l’utilisation militaire, principalement parce que les photodétecteurs SWIR reposent sur des matériaux coûteux et difficiles à fabriquer. Ces dernières années, les points quantiques colloïdaux – des nanocristaux semi-conducteurs traités en solution – sont apparus comme une alternative pour l’électronique grand public. Alors que des métaux lourds toxiques (comme le plomb ou le mercure) ont généralement été utilisés, les points quantiques peuvent également être fabriqués avec des matériaux respectueux de l’environnement tels que le tellurure d’argent (Ag2Te). En fait, les points quantiques colloïdaux de tellurure d’argent présentent des performances comparables à celles de leurs homologues toxiques. Mais ils n’en sont qu’à leurs débuts, et plusieurs défis doivent être relevés avant qu’ils puissent être utilisés dans des applications pratiques.

Yongjie Wang, Hao Wu, Carmelita Rodà, Lucheng Peng, Nima Taghipour et Miguel Dosil, sous la direction du professeur Gerasimos Konstantatos de l’ICREA, ont mis au point une nouvelle méthode de création de points quantiques colloïdaux de tellurure d’argent qui permet de relever ces défis. L’équipe a également mis au point le premier LIDAR SWIR à l’aide de points quantiques colloïdaux fabriqués à partir de matériaux non toxiques, mesurant avec succès des distances de plus de 10 mètres avec une résolution de l’ordre du décimètre. L’étude, publiée dans Advanced Materials, marque une étape clé vers des systèmes LIDAR pratiques, rentables et respectueux de l’environnement pour les marchés de la consommation et de l’automobile.

Des points quantiques colloïdaux non toxiques pour la photodétection dans le proche infrarouge : des défis à relever

Les points quantiques colloïdaux de tellurure d’argent sont traditionnellement confrontés à trois défis : un courant d’obscurité élevé, une gamme dynamique linéaire limitée et une vitesse de réponse.

Le courant d’obscurité est le petit courant électrique qui traverse un photodétecteur même en l’absence de lumière. Un courant d’obscurité élevé augmente le bruit, ce qui limite la sensibilité aux signaux faibles. Pour les applications LIDAR, cela limite en fin de compte la capacité à détecter des objets éloignés, car de plus grandes distances ou des interférences atmosphériques entraînent une plus grande atténuation du signal. La plage dynamique linéaire correspond à la plage entre le minimum et le maximum de l’intensité lumineuse détectable. Plus la plage est large, plus le contraste de la scène que le détecteur SWIR peut détecter et visualiser est élevé. Enfin, la vitesse de réponse d’un photodétecteur mesure la rapidité avec laquelle il peut réagir aux changements d’intensité de la lumière incidente. Une réponse rapide facilite la mesure précise de la distance et la télécommunication optique, entre autres.

Les chercheurs de l’ICFO ont considérablement amélioré ces trois caractéristiques par rapport au record précédent, qu’ils avaient eux-mêmes publié dans Nature Photonics il y a tout juste un an. Plus précisément, ils ont obtenu une densité de courant d’obscurité inférieure à 500nA/cm2, une efficacité quantique externe de 30 % à 1400 nanomètres, un LDR supérieur à 150dB et une réponse temporelle aussi rapide que 25 nanosecondes. Ces résultats positifs les ont encouragés à construire un LIDAR SWIR de démonstration, en utilisant pour la première fois des points quantiques colloïdaux fabriqués à partir de matériaux conformes à la directive sur la restriction des substances dangereuses. L’appareil a mesuré des distances de plus de 10 mètres avec une résolution décimétrique, démontrant le potentiel prometteur des points quantiques colloïdaux de tellurure d’argent pour les applications LIDAR.

« Au début du projet, nous ne nous attendions pas à un saut aussi important dans les performances finales de l’appareil », se souvient le Dr Yongjie Wang, premier coauteur de l’article. L’équipe a commencé par optimiser la synthèse des points quantiques afin d’éliminer les défauts de surface, qui ont tendance à réduire l’efficacité. Toutefois, cette stratégie n’a pas suffi. « Au départ, les performances du dispositif n’étaient pas très satisfaisantes. Ce n’est que lorsque nous avons appliqué un post-traitement au nitrate d’argent à notre film mince de points quantiques que nous avons constaté des améliorations majeures, ce qui suggère que cette approche d’optimisation était prometteuse », ajoute le chercheur.

La stratégie d’ingénierie proposée fait progresser le développement des dispositifs optoélectroniques SWIR en tirant parti de la rentabilité et des avantages de fabrication des points quantiques colloïdaux, tout en améliorant considérablement leurs performances en tant qu’alternative respectueuse de l’environnement. Les recherches futures se concentreront sur l’obtention de temps de réponse encore plus rapides, d’une efficacité quantique plus élevée et d’un fonctionnement plus fiable dans des conditions de température et d’humidité réalistes. Ces progrès, y compris la présente étude, nous rapprocheront de l’objectif ultime : l’adoption généralisée de la lumière SWIR dans l’électronique grand public.

Légende illustration : Photodiodes SWIR à points quantiques colloïdaux Ag2Te à gauche et points quantiques Ag2Te traités en solution à droite. Credit: Jordi Cortés, ICFO.

Article : « Shortwave Infrared Light Detection and Ranging Using Silver Telluride Quantum Dots » – DOI : 10.1002/adma.202500977