Matériau anisotrope à fonction diélectrique proche de zéro pour la photo-détection – mEtaNiZo

Le projet mEtaNiZo vise à utiliser des modes électromagnétiques spéciaux pour exalter l'interaction lumière-matière en vue de réaliser un nouveau type de photodétecteur infrarouge.

Ces modes électromagnétiques, appelés modes ENZ (« epsilon near zero » pour fonction diélectrique proche de zéro) et ont été introduits par des membres du consortium (5 papiers dans des journaux à comité de lecture totalisant plus de 180 citations depuis 2012, et deux brevets). Ces modes ENZ possèdent d'excellentes propriétés d'exaltation et surtout de confinement du champ électromagnétique. Ils ont été étudiés de manière théorique par des membres du consortium mais ont aussi donné lieu à la réalisation d’un modulateur de réflectivité à contrôle électrique. Basé sur un mode ENZ supporté par un puits quantique unique, il permet une modulation de réflectivité à une longueur d'onde de 34.4 microns, à température ambiante, ce qui démontre le fort potentiel de ces modes pour l'exaltation de l'interaction lumière-matière.

Basé sur ce succès, nous avons élargi le consortium avec un partenaire industriel, ce qui étend nos domaines de compétences, d'expertise et nos capacités techniques pour atteindre nos nouveaux objectifs.

Les modes ENZ sont encore nouveaux dans la littérature et n'ont, à notre connaissance, pas encore été utilisés pour la photodétection.
Des travaux préliminaires réalisés par le consortium montrent que, dans des conditions particulières, une anisotropie dans les fonctions diélectriques des matériaux utilisés améliore les effets recherchés, et donne aussi naissance à d'autres types de modes qui bénéficient aussi de l'effet ENZ.

Le projet se divise en deux axes majeurs. Un premier axe sera focalisé sur la physique des modes ENZ dans des structures isotropes et anisotropes, sur la mise en œuvre de métamatériaux aux propriétés optiques et électroniques combinées, sur l'interaction des modes ENZ avec le transport électronique, menant au principe de photodétection dans de tels systèmes. Un deuxième axe est la mise en œuvre expérimentale de ces concepts par la conception, fabrication et réalisation de photo-détecteurs mettant en jeu les modes ENZ.

En utilisant ces modes ENZ, le consortium a pour objectif de démontrer la photodétection à température ambiante dans l'infrarouge très lointain (30-40 µm dans notre projet) avec un détecteur de type photoconductif, et d'augmenter la température de fonctionnement des détecteurs quantiques de 10-20K dans l'infrarouge lointain (8-15 µm). Dans une seconde étape, de nouvelles structures seront conçues. Pour les détecteur de types photoconductifs, nous étudierons le système GaN-AlGaN très prometteur, pour une détection dans une bande 11-14µm à température ambiante. Pour les détecteurs quantiques, une absorption multi-photonique grâce au champ exalté permettrait d’augmenter la température de fonctionnement jusqu’à 150K.

L'impact de ce projet est très large, de la compréhension fondamentale de la physique mise en jeu, au développement de concepts de rupture pour la réalisation de photodétecteurs. Augmenter la température de fonctionnement des détecteurs infrarouges va élargir les marchés accessibles. Des contraintes moins fortes en terme de refroidissement permettront une implémentation plus large, et une réduction des coûts d'usage de ces systèmes. Augmenter l'efficacité de détection introduit aussi des systèmes rapides (temps d'intégration plus courts) qui peuvent faire la différence face aux technologies existantes.

Ce projet peut donc mener à une rupture technologique majeure dans la photodétection infrarouge et donner une réelle avance de phase aussi bien aux partenaires académiques qu'industriels de ce projet.
Nous sommes aussi convaincus que de tels détecteurs seraient parfaitement complémentaires des sources infrarouges proposées commercialement par mirSense, une spin-off d'un membre du consortium. Des systèmes complets intégrés sont proposés comme perspectives à ce projet.