Les chercheurs ont démontré qu’une classe spécifique de membranes d’oxyde peut confiner la lumière infrarouge beaucoup plus efficacement que les cristaux massifs, ce qui a des implications prometteuses pour les technologies d’imagerie infrarouge de nouvelle génération. Ces membranes à couches minces maintiennent la fréquence infrarouge souhaitée tout en comprimant les longueurs d'onde, permettant ainsi une plus grande résolution d'image. En utilisant des matériaux pérovskites de métaux de transition et une spectroscopie synchrotron avancée en champ proche, les chercheurs ont montré que les polaritons de phonons dans ces membranes peuvent confiner la lumière infrarouge à seulement 10 % de sa longueur d’onde. Cette percée pourrait conduire à de nouvelles applications dans les domaines de la photonique, des capteurs et de la gestion thermique, avec une facilité potentielle d'intégration dans divers dispositifs. Crédit : Yin Liu, Université d’État de Caroline du Nord
Une nouvelle étude révèle que les membranes d'oxyde peuvent confiner la lumière infrarouge dans une plus grande mesure que les méthodes traditionnelles, ce qui promet des progrès dans la résolution de l'imagerie et des applications en photonique et en gestion thermique.
Les chercheurs ont démontré avec succès qu’un type particulier de membranes d’oxyde peut efficacement confiner, ou « presser », la lumière infrarouge. Cette avancée pourrait améliorer les futures technologies d’imagerie infrarouge. Ces membranes à couches minces surpassent les cristaux massifs traditionnels en matière de confinement de la lumière infrarouge.
« Les membranes en couches minces maintiennent la fréquence infrarouge souhaitée, mais compressent les longueurs d'onde, permettant aux appareils d'imagerie de capturer des images avec une plus grande résolution », explique Yin Liu, auteur co-correspondant d'un article sur le travail et professeur adjoint de science des matériaux et ingénierie à Université d'État de Caroline du Nord.
« Nous avons démontré que nous pouvons confiner la lumière infrarouge à 10 % de sa longueur d'onde tout en conservant sa fréquence, ce qui signifie que le temps nécessaire à une longueur d'onde pour faire un cycle est le même, mais la distance entre les pics de l'onde est la même. beaucoup plus rapprochés. Les techniques de cristaux massifs confinent la lumière infrarouge à environ 97 % de sa longueur d’onde.
Percées expérimentales dans la technologie des couches minces
« Ce comportement n'était auparavant que théorisé, mais nous avons pu le démontrer expérimentalement pour la première fois grâce à la fois à la manière dont nous avons préparé les membranes à couches minces et à notre nouvelle utilisation de la spectroscopie synchrotron en champ proche », explique Ruijuan Xu, co-responsable de l'étude. auteur de l’article et professeur adjoint de science et d’ingénierie des matériaux à NC State.
Pour ce travail, les chercheurs ont travaillé avec des matériaux pérovskites à base de métaux de transition. Plus précisément, les chercheurs ont utilisé le dépôt par laser pulsé pour développer une membrane cristalline de titanate de strontium (SrTiO) de 100 nanomètres d'épaisseur.3) dans une enceinte à vide. La structure cristalline de ce film mince est de haute qualité, ce qui signifie qu'elle présente très peu de défauts. Ces films minces ont ensuite été retirés du substrat sur lequel ils ont été développés et placés sur la surface d'oxyde de silicium d'un substrat de silicium.
Les chercheurs ont ensuite utilisé la technologie de la source de lumière avancée du laboratoire national Lawrence Berkeley pour effectuer une spectroscopie synchrotron en champ proche sur le film mince de titanate de strontium exposé à la lumière infrarouge. Cela a permis aux chercheurs de capturer l'interaction du matériau avec la lumière infrarouge au niveau du à l'échelle nanométrique.
Comprendre le transfert d'énergie : phonons, photons et polaritons
Pour comprendre ce que les chercheurs ont appris, nous devons parler de phonons, de photons et de polaritons. Les phonons et les photons sont deux moyens par lesquels l’énergie circule à travers et entre les matériaux. Les phonons sont essentiellement des ondes d’énergie provoquées par la façon dont les atomes vibrent. Les photons sont essentiellement des ondes d'énergie électromagnétique. Vous pouvez considérer les phonons comme des unités d’énergie sonore, tandis que les photons sont des unités d’énergie lumineuse. Les polaritons de phonons sont des quasi-particules qui se produisent lorsqu'un rayonnement infrarouge photon est couplé à un phonon « optique », c’est-à-dire un phonon capable d’émettre ou d’absorber de la lumière.
« Des articles théoriques ont proposé l'idée selon laquelle les membranes d'oxyde de pérovskite de métal de transition permettraient aux polaritons de phonons de confiner la lumière infrarouge », explique Liu. « Et nos travaux démontrent maintenant que les polaritons des phonons confinent les photons et empêchent également les photons de s'étendre au-delà de la surface du matériau.
« Ce travail établit une nouvelle classe de matériaux optiques pour contrôler la lumière dans les longueurs d'onde infrarouges, qui ont des applications potentielles en photonique, en capteurs et en gestion thermique », explique Liu. « Imaginez pouvoir concevoir des puces informatiques qui pourraient utiliser ces matériaux pour évacuer la chaleur en la convertissant en lumière infrarouge. »
« Le travail est également passionnant car la technique que nous avons démontrée pour créer ces matériaux signifie que les films minces peuvent être facilement intégrés à une grande variété de substrats », explique Xu. « Cela devrait faciliter l'intégration des matériaux dans de nombreux types d'appareils différents. »
La recherche a été réalisée avec le soutien du Département américain de l'énergie, Bureau des sciences énergétiques fondamentales, Division des sciences et de l'ingénierie des matériaux, sous le contrat no. DE-AC02-76SF00515 ; et par la National Science Foundation sous le numéro de subvention 2340751.