Communiqué de presse du CNRS : Un nouveau type de détecteur infrarouge

Des chercheurs du Laboratoire matériaux et phénomènes quantiques (CNRS/Université Paris VII) et du groupe Thales ont mis au point un nouveau type de détecteur infrarouge, baptisé « détecteur à cascade quantique ». Ce dispositif est constitué de couches semi-conductrices d’épaisseur nanométrique, dans lesquelles le mouvement des électrons est parfaitement contrôlé. Il permettra peut-être de produire des caméras thermiques de meilleures performances, pour voir la nuit, dans le brouillard, et même dans le corps avec une plus grande résolution.

Les physiciens viennent de démontrer le fonctionnement d’un nouveau type de détecteur infrarouge. Ce détecteur comporte plusieurs centaines de couches semi-conductrices épaisses de quelques nanomètres (1) seulement, dans lesquelles le parcours des électrons est imposé. En effet, leur fonctionnement repose sur la migration des électrons, de couche en couche, qui ne peuvent traverser le dispositif que si des photons infrarouges leur donnent régulièrement l’énergie nécessaire pour effectuer des sauts énergétiques. Ainsi, un courant électrique ne circule qu’en présence de lumière infrarouge : ce dispositif est donc un détecteur infrarouge.

Le détecteur comporte 40 « périodes » constituées d’une alternance de 7 puits de potentiels (en arséniure de gallium) et de 7 barrières de potentiels (en arséniure de gallium et d’aluminium). L’énergie cédée par un photon infrarouge incident autorise un électron, présent dans le dernier puits de potentiel d’une période, à franchir la première barrière de potentiel de la période suivante. A partir de là, il va migrer vers les puits de potentiel successifs, participant ainsi au courant électrique. Le succès de ce dispositif repose sur le contrôle de chaque transfert électronique d’un puits à un autre, dans une sorte de « cascade quantique ». Ce contrôle est issu de la connaissance des interactions entre les électrons et les vibrations du cristal multicouche qui les héberge.

Ces détecteurs combinent deux avantages : ils fonctionnent sans alimentation, donc sans le bruit de fond qui y est d’habitude associé, puisque le courant est généré sous l’action de la lumière comme dans un matériau photovoltaïque. De plus, ils sont en arséniure de gallium, l’un des matériaux les mieux maîtrisés en optoélectronique. Jusqu’à présent, les matériaux utilisés pour les capteurs autonomes étaient affectés d’hétérogénéités qui diminuaient leurs performances.

Cette invention résulte d’un effort de recherche conjoint entre chercheurs d’un laboratoire public (CNRS/Université Paris VII) et d’un laboratoire industriel (Thales Research and Technology). Elle constitue un exemple du rapport étroit entre recherche fondamentale et appliquée.

Dans quelques années, ce nouveau type de détecteur permettra peut-être de produire des caméras infrarouges. Tous les corps, qu’ils soient vivants ou non, émettent un rayonnement infrarouge, vecteur de la chaleur. A partir de ce rayonnement et des petites différences de température qu’il reflète, il est possible de reconstituer des images. On utilise les caméras infrarouges pour discerner certaines choses que l’on ne peut pas observer normalement. Par exemple, pour voir la nuit, s’orienter dans la fumée (pour les pompiers), ou faire de la maintenance et des contrôles techniques dans l’industrie. Les points chauds indiquent les défauts des armoires électriques, des essieux de TGV lancés à pleine vitesse ou encore les fissures dans les centrales nucléaires.

Notes :
(1) un nanomètre = un milliardième de mètre
(2) À l’occasion de l’année mondiale de la physique, les chercheurs tournent un court métrage en infrarouge sur les quais de Seine. Pour cela, ils utilisent l’une des meilleures camera infrarouge actuelle. Unique en Europe, elle est issue d’une technologie de capteurs mis au point il y a une dizaine d’années. Cette fiction sera produite sur DVD en juin et distribuée dans les lycées à la rentrée prochaine.

Références :
High resistance narrow band quantum cascade photodetector, Laure Gendron, Xavier Marcadet, Cedric Koeniguer, Vincent Berger, Applied Physics Letters, 2005, Vol. 86, No 11.