Un détecteur en graphène pour les ondes térahertz
Publié par Redbran le 20/02/2018 à 12:00
Source: CNRS-INSIS
Avec leurs applications prometteuses, les ondes térahertz suscitent un fort engouement et demandent l'adaptation de nombreux composants électroniques. Des chercheurs de l'Institut d'électronique et des systèmes, du Laboratoire Charles Coulomb et des Universités de Manchester et de Shandong ont développé un détecteur d'ondes térahertz en graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.) fonctionnant à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...) ambiante. Ses performances allient exceptionnelle sensibilité et réduction du bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.). Ces travaux sont publiés dans la revue Nano Letters.


© IES
Vue d'artiste (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l'un des métiers ou activités suivantes :) du détecteur THz à base de graphène sous irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps à un flux de rayonnements ionisants : rayons alpha, bêta,...) THz. Les contacts source et drain ( Drain est une commune française de Maine-et-Loire ; Drain est également un groupe de musique ; Le drain français est un outil du Drainage, technique utilisée en génie...) sont reliés aux bras d'une antenne (En radioélectricité, une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou de capter (récepteur) les ondes électromagnétiques.) bow-tie (zoom). Les électrons sont injectés dans le composant via ces contacts et créent une tension (La tension est une force d'extension.) continue et exploitable entre les contacts up et low.

Pour détecter des ondes térahertz (THz), les capacités des composants dépendent généralement de la mobilité des électrons à travers le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés particulières...). Grâce à la structure électronique que lui confère l'arrangement (La notion d'arrangement est utilisée en probabilités, et notamment pour les dénombrements en analyse combinatoire.) hexagonal de ses atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.), le graphène offre précisément une très haute mobilité. Des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics...) d'électronique et des systèmes (IES, CNRS/Université de Montpellier) et du Laboratoire Charles Coulomb (L2C, CNRS/Université de Montpellier) se sont associés aux Universités de Manchester et de Shandong pour développer un détecteur d'ondes THz de nouvelle génération.

Le détecteur se présente sous la forme d'une antenne bow-tie de quelques millimètres de long, installée sur un redresseur (Un redresseur, également appelé convertisseur alternatif - continu (rectifier en anglais), est un convertisseur destiné à alimenter une charge de type continu, qu'elle soit inductive ou capacitive...) en graphène d'une trentaine de microns carrés. L'antenne convertit l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) électromagnétique THz en courant alternatif (Le courant alternatif (qui peut être abrégé par CA, ou AC, pour Alternating Current en anglais, étant cependant souvent utilisé) est un courant électrique qui change de sens.), que le redresseur transforme en courant continu (Le courant continu est un courant électrique indépendant du temps ou, par extension, un courant périodique dont la composante continue est d'importance...). Ce composant ressemble à un carrefour asymétrique ; les électrons arrivent de l'antenne par deux chemins différents, source et drain, mais s'alignent et ne sortent que par une seule des deux issues, low, créant ainsi un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par...) exploitable. Contrairement à des composants fabriqués dans des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) conventionnels, ce nouveau détecteur fonctionne à la fois à température ambiante et sans avoir à mélanger plusieurs fréquences. Le détecteur atteint des performances exceptionnelles en termes de sensibilité et de réduction de bruit (R = 764 V/W ; NEP = 34pW Hz1/2), et ce sur une large gamme spectrale.

Ces travaux peuvent servir à développer une nouvelle spectrométrie, potentiellement capable de détecter à distance drogues et explosifs. Ils sont aussi susceptibles d'intéresser les télécommunications (Les télécommunications sont aujourd’hui définies comme la transmission à distance d’information avec des moyens électroniques. Ce terme est plus utilisé que le...) sans fil, actuellement utilisées dans des applications telles que le Wifi et la 4G.

Références publication:
Terahertz Detection and Imaging Using Graphene Ballistic Rectifiers
G. Auton, D. B. But, J. Zhang, E. Hill, D. Coquillat, C. Consejo, P. Nouvel, W. Knap, L. Varani, F. Teppe, J. Torres, and A. Song
Nano Lett., 2017, 17 (11), pp 7015–7020
DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b03625

Contacts chercheurs:
- Jérémie Torres – IES
- Christophe Consejo – L2C
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