De nouveaux processus de conception et de fabrication d’éclairage avancés pourraient révolutionner les technologies des capteurs


De nouveaux processus de conception et de fabrication d'éclairage avancés pourraient révolutionner les technologies des capteurs

Schéma d’un capteur infrarouge sans filtre et non dispersif activé par la source de infrarouge avancée de l’équipe de recherche. Crédit photo : Mingze He, Caldwell Group

ingénieurs de Vanderbilt et Penn State ont développé une nouvelle approche pour concevoir et fabriquer des sources de lumière infrarouge à couche mince de pratiquement n’importe quelle puissance spectrale entraînée par la chaleur, ainsi qu’une méthode d’apprentissage automatique appelée conception inverse, qui libère le temps d’optimisation pour ces appareils. de quelques semaines ou mois sur un ordinateur multicœur à quelques minutes sur un ordinateur de bureau grand public.

La capacité de développer des sources de lumière infrarouge de conception peu coûteuses et efficaces pourrait révolutionner les technologies des capteurs moléculaires. D’autres applications sont la communication en espace ouvert, les balises infrarouges pour les services de recherche et de sauvetage, les capteurs moléculaires pour la surveillance des gaz industriels, des polluants environnementaux et des toxines.

La démarche de l’équipe de recherche, détaillée aujourd’hui dans Matériaux naturels, utilise un simple dépôt de couche mince, l’une des techniques de nano- les plus sophistiquées, aidée par des avancées majeures dans les matériaux et l’apprentissage automatique.

Les radiateurs radiants conventionnels tels que les ampoules électriques génèrent un rayonnement thermique à large bande, ce qui limite leur utilisation à des applications simples. En revanche, les lasers et les diodes électroluminescentes fournissent l’émission à fréquence étroite souhaitée pour de nombreuses applications, mais sont généralement trop inefficaces et/ou coûteux. Cela a orienté la recherche vers des émetteurs thermiques sélectifs en longueur d’onde pour fournir la bande passante étroite d’un laser ou d’une LED, mais avec la conception simple d’un émetteur thermique. Jusqu’à présent, cependant, la plupart des émetteurs thermiques avec des spectres de sortie définis par l’utilisateur nécessitaient des nanostructures structurées qui étaient fabriquées à l’aide de processus coûteux et à faible débit.

L’équipe de recherche, dirigée par Joshua Caldwell, professeur agrégé Vanderbilt de génie mécanique, et Jon-Paul Maria, professeur de science et technologie des matériaux à Penn State, a entrepris de surmonter des défis de longue date et de créer un processus plus efficace. Leur approche tire parti de la large accordabilité spectrale de l’oxyde de cadmium semi-conducteur couplé à un cristal photonique unidimensionnel constitué de couches alternées de diélectriques appelé réflecteur de Bragg distribué.

La combinaison de ces plusieurs couches de matériau conduit à un « polariton de Tamm », dans lequel la longueur d’onde d’émission du dispositif est déterminée par les interactions entre ces couches. Jusqu’à présent, de telles conceptions étaient limitées à une seule longueur d’onde de sortie conçue. Cependant, la génération de plusieurs résonances à plusieurs fréquences avec une longueur d’onde, une largeur de ligne et une intensité contrôlées par l’utilisateur est essentielle pour correspondre aux spectres d’absorption de la plupart des molécules.

La conception des matériaux était exigeante et gourmande en calculs. Étant donné que les applications avancées nécessitent des fonctionnalités sur plusieurs résonances, le nouveau processus devait réduire considérablement le temps de conception. Par exemple, un appareil typique contiendrait des dizaines à des centaines de paramètres configurables, créant des exigences de personnalisation élevées qui nécessitent des temps de calcul irréalistes. Par exemple, dans un scénario qui optimise neuf paramètres indépendamment et échantillonne 10 points par paramètre, les simulations prendraient 15 jours, en supposant 100 simulations par seconde. Cependant, avec plus de paramètres, le temps augmente de façon exponentielle – 11 et 12 paramètres prendraient respectivement trois et 31 ans.

Pour relever ce défi, Ph.D. L’étudiant Mingze He, auteur principal de l’article, a proposé un algorithme de conception inverse qui calcule une structure optimisée sur un ordinateur de bureau grand public en quelques minutes. De plus, ce code pourrait fournir la possibilité d’ajuster la longueur d’onde d’émission, la largeur de ligne et l’amplitude souhaitées de résonances multiples simultanément sur n’importe quelle largeur de bande spectrale.

Un autre obstacle a été l’identification d’un matériau semi-conducteur qui permet une large gamme dynamique de densités d’électrons. Pour ce faire, l’équipe a utilisé un matériau semi-conducteur dopé qui a été développé par l’équipe de recherche de Maria à Penn State et qui permet la conception ciblée de propriétés optiques.

« Cela permet de fabriquer des sources lumineuses infrarouges moyennes avancées à l’échelle d’une plaquette avec un coût très faible et des étapes de fabrication minimales », a-t-il déclaré.

Cette section expérimentale a été menée avec le personnel de Penn State pendant que les appareils étaient caractérisés par He et J. Ryan Nolen, un récent diplômé du groupe Caldwell. Ensemble, les deux équipes ont démontré avec succès les performances de sources lumineuses infrarouges à construction inverse.

« La combinaison de l’accordabilité du matériau d’oxyde de cadmium avec l’optimisation rapide des réflecteurs de Bragg distribués de manière apériodique offre la possibilité de développer des sources de lumière infrarouge avec des spectres de sortie définis par l’utilisateur. Bien que ceux-ci aient un potentiel immédiat pour la chimique, ils sont également prometteurs dans diverses autres applications en matière de détection environnementale et à distance, de spectroscopie, de signalisation et de communication infrarouges », a déclaré Caldwell.

De manière significative, le groupe Caldwell a rendu l’algorithme de conception disponible en open source, qui peut être téléchargé à partir du site Matériaux naturels Site Web et le site Web Caldwell Infrared Nanophotonic Materials and Devices Labor.

Son article « Deterministic inverse design of Tamm plasmon thermal émetteur with multi-resonant control » a été publié le 21 octobre.


Concevoir et valider un émetteur thermique multicouche de classe mondiale à l’aide de l’apprentissage automatique


Plus d’information:
Mingze He et al., Conception inverse déterministe de l’émetteur thermique à plasmons de Tamm avec contrôle multirésonant, Matériaux naturels (2021). DOI : 10.1038 / s41563-021-01094-0

Fourni par l’Université Vanderbilt

Citation: Un nouveau processus de conception et de fabrication d’éclairage avancé pourrait révolutionner les technologies des capteurs (2021, 21 octobre), consulté le 21 octobre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-10-advanced-fabrication-revolutionize-technologies.html

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