Self-Sensitized Upconversion Luminescence of Cs2NaErF6 Nanocrystals Toward Highly Responsive Photodetection under 1532 nm Illumination
Cette étude rapporte le développement de photodétecteurs à 1532 nm hautement réactifs, présentant une responsivité record de 4,97 A/W grâce à l'utilisation de nanocristaux de Cs₂NaErF₆ revêtus d'une coquille de CaF₂ et dopés au Tm³⁺, qui parviennent à une luminescence de conversion ascendante auto-sensibilisée efficace par l'atténuation de l'extinction de concentration.
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La lumière voyage à travers l'air et l'eau d'une manière que nos yeux ne peuvent voir, transportant une vaste quantité d'informations dans le spectre invisible connu sous le nom de proche infrarouge. Au sein de ce spectre caché, une bande spécifique de lumière à 1532 nanomètres est particulièrement précieuse car elle se déplace à travers les fibres optiques avec presque aucune perte, ce qui en fait le langage standard pour la communication Internet mondiale. Pour capter ces signaux, les ingénieurs s'appuient depuis longtemps sur des dispositifs semi-conducteurs complexes qui nécessitent une fabrication coûteuse et doivent souvent être maintenus au froid pour fonctionner correctement. Les scientifiques recherchent un substitut plus simple et moins cher capable de fonctionner à température ambiante, et une voie prometteuse consiste à utiliser de minuscules cristaux capables d'absorber cette lumière infrarouge de faible énergie et de la convertir en lumière visible que les capteurs standards peuvent facilement détecter. Ce processus, appelé conversion ascendante, est comme un traducteur qui transforme un murmure en un cri, mais pendant des décennies, les cristaux capables de faire cela pour la bande de 1532 nm étaient trop ternes pour être utiles seuls.
Une équipe de chercheurs de l'Institut de recherche sur la structure de la matière de Fujian a désormais créé un nouveau type de cristal qui résout ce problème de faible luminosité, ouvissant la porte à des détecteurs hautement sensibles qui fonctionnent à température ambiante. Ils ont commencé par concevoir une structure cristalline spécifique composée de césium, de sodium et d'erbium, un élément de terre rare connu pour sa capacité à interagir avec la lumière infrarouge. Dans de nombreux cristaux traditionnels, lorsque l'on entasse trop d'atomes chasseurs de lumière les uns près des autres, ceux-ci ont tendance à interférer entre eux, provoquant la disparition de l'énergie lumineuse avant qu'elle ne puisse être convertie. Les chercheurs ont découvert que leur nouveau cristal, qui possède un espacement interne plus large entre les atomes, empêche naturellement cette interférence. Cela leur a permis de charger les cristaux avec une concentration élevée d'atomes absorbant la lumière sans perdre d'efficacité, créant ainsi un matériau exceptionnellement bon pour capturer les photons de 1532 nm.
Pour rendre le signal encore plus fort, l'équipe a introduit un second élément de terre rare, le thulium, dans le mélange, puis a revêtu les minuscules cristaux d'une coquille protectrice de fluorure de calcium. Cette combinaison a agi comme une loupe pour l'énergie lumineuse. Les atomes de thulium ont aidé à piéger et à rediriger l'énergie à l'intérieur du cristal, tandis que la coquille a empêché l'énergie de s'échapper par les défauts de surface. Le résultat fut une augmentation spectaculaire de la luminosité : les nouveaux cristaux émettaient une lumière environ 22 000 fois plus brillante que la version non revêtue et non dopée. Cette augmentation massive de la sortie lumineuse a signifié que, lorsque ces cristaux étaient associés à un matériau sensible à la lumière, le dispositif résultant pouvait générer un signal électrique fort à partir d'une lumière entrante très faible.
Les chercheurs ont construit un détecteur fonctionnel en superposant ces cristaux améliorés sur un film d'un matériau appelé MAPbI3, connu pour sa capacité à transformer la lumière en électricité. Lorsqu'ils ont projeté un laser de 1532 nm sur ce dispositif, celui-ci a répondu avec un niveau de sensibilité qui rivalise avec les meilleurs détecteurs commerciaux actuellement disponibles, mais sans nécessiter de refroidissement ou de fabrication complexe. Le dispositif a été capable de détecter des signaux lumineux avec un haut degré de précision, même lorsque la lumière devait traverser différents matériaux. Dans un test pratique, l'équipe a démontré que le détecteur pouvait recevoir des signaux optiques à travers du verre, du plastique et de l'eau avec une distorsion minimale. Ils ont même utilisé le dispositif pour décoder un message envoyé à travers l'eau, traduisant avec succès les impulsions lumineuses en les lettres « CAS ». Ce travail montre que ces nouveaux cristaux peuvent servir de cœur à une nouvelle génération de photodétecteurs, capables de voir la lumière invisible de 1532 nm avec une clarté qui était auparavant impossible à température ambiante.
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