Opbygning af den ultimative lysdetektor

Eric Bonvin arbejder i øjeblikket på László Forrós laboratorium på EPFL. En schweizisk-amerikaner, han blev født i Lausanne-området, og voksede op i Schweiz, Tyskland. Hans sommerprojekt har til formål at udvikle ultrafølsomme lysdetektorer, der teoretisk kan opfange en enkelt foton. At gøre dette, Bonvin får den svære opgave at kombinere to af de mest spændende materialer:Grafen og perovskit.

Grafen er science fiction-stoffet:det stærkeste kendte materiale, den har også exceptionelle – hvis ikke eksotiske – elektriske egenskaber, og muligvis endda derudover. Hvad angår perovskites, deres evne til at omdanne lys til elektrisk strøm har placeret dem blandt de bedste materialer til effektive solpaneler.

Efter at have dimitteret fra et schweizisk gymnasium, Bonvin begyndte at studere fysik på EPFL. Han tilbragte de første to år af bacheloruddannelsen der, det tredje år på et udvekslingsprogram, der tog ham til Carnegie Mellon University i Pittsburgh.

Vender tilbage til EPFL for sin master i fysikteknik, han udførte et førsteårsprojekt om grafen i László Forrós Laboratory of Physics of Complex Matter. Efter at have afsluttet sine mestre, han fortsætter i laboratoriet hen over sommeren for at forfølge projektet i dybden.

"Mit projekt handler om at skabe fotodetektorer til brug under dårlige lysforhold, " siger han. "Jeg kombinerer grafen og perovskit - to materialer, der har vakt interesse hos forskere i det sidste årti - for at skabe enheder, der er ti millioner gange mere følsomme over for lys end almindelige siliciumfotodetektorer - standardteknologien, der bruges i dag ." I teorien, effektiviteten af ​​sådanne materialer er høj nok til at detektere en enkelt foton – "selv ved stuetemperatur", siger Endre Horvath, hvem leder projektet Eric arbejder på.

For at skabe sådanne følsomme systemer, Bonvin udviklede først en metode til at dyrke perovskit fra en opløsning til tynde nanotråde direkte oven på grafenplader. Dette trin er afgørende, da apparaternes lysfølsomhed afhænger af den måde, nanotrådene er struktureret på; arkitekturen er nøglen til optimal fotodetektion.

Ikke desto mindre, at gøre dette er en udfordring. Ved at udvikle sin egen metode, Bonvin hentede fra laboratoriets ekspertise inden for mikrofremstilling af nanotråde. Processen involverede højpræcisionsmaskiner og en masse trial-and-error, men i sidste ende, Bonvin så sine grafen-perovskit nanotråde vokse i smukke lige linjer. "Vækstmetoden er kontrollerbar, reproducerbar, billig og skalerbar, " siger han begejstret. "Den er ideel til forarbejdning i stor skala."

Selve enhederne er mikrofabrikerede i renrummet i EPFL's Center of MicroNanoTechnology. Grunden til at mikrofremstille dem er at forbedre effektiviteten af ​​enheden, da mindre enheder er mindre tilbøjelige til at indeholde urenheder, og kan derfor opnå højere effektivitet. Mikrofabrikation gør det også muligt at konstruere enhederne på en måde, der faktisk omfatter meget få nanotråde. Dette reducerer også sandsynligheden for urenheder, fører til højere effektivitet.

Sådanne ultrafølsomme fotodetektorer har flere anvendelser. Disse omfatter nattesynssystemer, CT-scannere, detektorer, der bruges i partikelacceleratoreksperimenter og endda lysbaserede kvantecomputersystemer, som kræver detektion af enkelte fotoner. "Jeg tror, ​​at vores detektorer faktisk kan opnå det, " siger Bonvin.

Endnu mere eksotisk, Detektorerne kan bruges i rumteleskoper, som registrerer svage signaler fra fjerne galakser over hele det elektromagnetiske spektrum. "Vores detektorer reagerer på en meget stor del af spektret, fra nær-infrarød hele vejen til røntgenstråler. Det betyder, at vi kun har brug for én detektor for at udføre et arbejde, der kræver flere detektorer i dag."

Bonvins projekt tilbyder en metode til at udvikle ultrafølsomme detektorer ved at kombinere to materialer, der er billige at fremstille. "I fremtiden, Jeg vil gerne se yderligere udvikling af den slags fotodetektorer - og muligvis se de første anvendelser af dem dukke op."

Bonvin søger i øjeblikket en ph.d.-stilling inden for faststoffysik. But this summer project has already set him on a professional course. "Throughout the project, I learned a lot about photodetectors, graphene and perovskites. Next I would like to go even further and design new devices that work with the same underlying principles but with an optimized architecture. I have acquired many microfabrication skills that I will be able to apply in all sorts of projects in the future."