Invisible à nos yeux, la lumière infrarouge à ondes courtes (SWIR) pourrait bien transformer notre quotidien. Cette technologie, qui offre une fiabilité et des performances sans précédent, trouve des applications potentielles dans des domaines aussi variés que la robotique de service, l’automobile et l’électronique grand public.
Les capteurs d’images sensibles au SWIR peuvent fonctionner de manière fiable dans des conditions défavorables, comme en plein soleil, dans le brouillard, la brume ou la fumée. De plus, la gamme SWIR offre des sources d’éclairage sûres pour les yeux et ouvre la possibilité de détecter les propriétés des matériaux grâce à l’imagerie moléculaire.
Les défis de la technologie SWIR
La technologie des capteurs d’images basée sur les points quantiques colloïdaux (CQD) offre une plateforme technologique prometteuse pour permettre des capteurs d’images compatibles avec le SWIR. Cependant, un obstacle fondamental existe dans la traduction des points quantiques sensibles au SWIR en technologie clé pour les applications de masse, car ils contiennent souvent des métaux lourds comme le plomb ou le mercure. Ces matériaux sont soumis à des réglementations par la Restriction des Substances Dangereuses (RoHS), une directive européenne qui régule leur utilisation dans les applications électroniques grand public.
Dans une nouvelle étude publiée dans Nature Photonics, des chercheurs de l’ICFO, en collaboration avec des chercheurs de Qurv, ont rapporté le développement de photodétecteurs infrarouges haute performance et d’un capteur d’images SWIR fonctionnant à température ambiante basé sur des points quantiques colloïdaux non toxiques. L’étude décrit une nouvelle méthode pour synthétiser des points quantiques de tellurure d’argent (Ag2Te) de taille ajustable, tout en préservant les propriétés avantageuses des homologues traditionnels à base de métaux lourds, ouvrant la voie à l’introduction de la technologie des points quantiques colloïdaux SWIR sur les marchés de grande consommation.
Une nouvelle méthode de synthèse
En cherchant comment synthétiser des nanocristaux de tellurure d’argent bismuth (AgBiTe2) pour étendre la couverture spectrale de la technologie AsBiS2 afin d’améliorer les performances des dispositifs photovoltaïques, les chercheurs ont obtenu du tellurure d’argent (Ag2Te) comme sous-produit. Ce matériau a montré une absorption quantique confinée forte et ajustable, similaire à celle des points quantiques.
Ils ont réalisé son potentiel pour les photodétecteurs et les capteurs d’images SWIR et ont orienté leurs efforts pour réaliser et contrôler un nouveau processus de synthèse de versions sans phosphine des points quantiques de tellurure d’argent, la phosphine ayant un impact néfaste sur les propriétés optoélectroniques des points quantiques pertinents pour la photodétection.
Dans leur nouvelle méthode de synthèse, l’équipe a utilisé différents complexes sans phosphine, tels que des précurseurs de tellure et d’argent, qui leur ont permis d’obtenir des points quantiques avec une distribution de taille bien contrôlée et des pics excitoniques sur une très large gamme du spectre.
Après leur fabrication et leur caractérisation, les nouveaux points quantiques synthétisés ont montré des performances remarquables, avec des pics excitoniques distincts sur plus de 1500 nm – une réalisation sans précédent par rapport aux techniques précédentes basées sur la phosphine pour la fabrication de points quantiques.
Vers des applications concrètes
Avec le développement réussi de ce photodétecteur basé sur des points quantiques sans métaux lourds, les chercheurs sont allés plus loin et se sont associés à Qurv, une spin-off de l’ICFO, pour démontrer son potentiel en construisant un capteur d’images SWIR comme étude de cas.
L’équipe a intégré le nouveau photodiode avec un circuit intégré de lecture basé sur CMOS (ROIC) focal plane array (FPA) démontrant pour la première fois un concept de preuve, non toxique, fonctionnant à température ambiante SWIR capteur d’images basé sur des points quantiques. Les auteurs de l’étude ont testé l’imageur pour prouver son fonctionnement dans le SWIR en prenant plusieurs photos d’un objet cible.
En particulier, ils ont pu imager la transmission de plaquettes de silicium sous la lumière SWIR ainsi que visualiser le contenu de bouteilles en plastique qui étaient opaques dans la gamme de lumière visible.
En synthèse
La technologie SWIR, bien que complexe, offre un potentiel énorme pour une multitude d’applications, de l’automobile à l’électronique grand public. Les avancées récentes dans la synthèse de points quantiques non toxiques ouvrent la voie à une utilisation plus large de cette technologie. Des défis subsistent, notamment en ce qui concerne l’amélioration des performances des photodiodes et la stabilité thermique et environnementale du matériau. Les chercheurs sont déterminés à relever ces défis et à faire progresser cette technologie prometteuse vers le marché.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que la lumière infrarouge à ondes courtes (SWIR) ?
La lumière infrarouge à ondes courtes (SWIR) est une forme de lumière invisible à l’œil humain qui offre une fiabilité et des performances sans précédent dans diverses applications, notamment la robotique de service, l’automobile et l’électronique grand public.
Quels sont les défis de la technologie SWIR ?
Un des principaux défis de la technologie SWIR est que les points quantiques sensibles au SWIR contiennent souvent des métaux lourds comme le plomb ou le mercure, qui sont soumis à des réglementations strictes.
Qu’est-ce que les points quantiques colloïdaux (CQD) ?
Les points quantiques colloïdaux (CQD) sont des cristaux semi-conducteurs nanométriques qui peuvent être intégrés avec le CMOS et permettent d’accéder à la gamme SWIR.
Quelle est la nouvelle méthode de synthèse décrite dans l’étude ?
La nouvelle méthode de synthèse décrite dans l’étude utilise différents complexes sans phosphine pour obtenir des points quantiques avec une distribution de taille bien contrôlée et des pics excitoniques sur une très large gamme du spectre.
Quelles sont les applications potentielles de cette technologie ?
Les applications potentielles de cette technologie incluent les systèmes de vision améliorés pour l’industrie automobile, permettant la vision et la conduite dans des conditions météorologiques défavorables, ainsi que la détection de lumière à longue portée et l’imagerie tridimensionnelle pour les applications de réalité augmentée et de réalité virtuelle.
Références
Légende illustration principale : Yongjie Wang (ICFO) et Julien Schreier (Qurv) tenant un échantillon d’une solution de points quantiques, le photodétecteur SWIR et le capteur d’image. Crédit ICFO
Wang, Y., Lucheng, P. Schreier, J., Bi, Y. Black, A., Malla, A. Goossens, S., Konstantatos, G. (2023) Silver telluride colloidal quantum dot infrared photodetectors and image sensors. Nature Photonics. doi: https://www.nature.com/articles/s41566-023-01345-3
