Les ingénieurs ouvrent la voie à la prochaine

Le doctorant Len van Deurzen travaille avec une configuration de laboratoire utilisée pour faire fonctionner un appareil émettant un laser ultraviolet profond.

Les ingénieurs de Cornell ont créé un laser ultraviolet profond utilisant des matériaux semi-conducteurs très prometteurs pour améliorer l'utilisation de la lumière ultraviolette pour stériliser les outils médicaux, purifier l'eau, détecter les gaz dangereux et permettre la photolithographie de précision, entre autres applications.

En ce qui concerne la lumière ultraviolette, deux qualités importantes sont la fréquence – certaines fréquences sont les meilleures pour détruire les virus ou détecter les molécules – et la largeur de raie, une mesure de la précision du laser. Les scientifiques et les ingénieurs recherchent des sources d'émission de lumière ultraviolette de meilleure qualité et plus efficaces, mais il est difficile de travailler avec les matériaux semi-conducteurs qui peuvent permettre cela.

Un article publié le 11 mars dans la revue AIP Advances détaille comment les scientifiques de Cornell ont produit un dispositif à base de nitrure de gallium et d'aluminium capable d'émettre un laser ultraviolet profond à des longueurs d'onde et des largeurs de raie modales recherchées.

"On sait que c'est un matériau qui convient, mais c'était un problème de synthèse de matériaux", a déclaré Len van Deurzen, doctorant en physique appliquée et ingénierie qui a dirigé la recherche. "Le défi consiste à rendre les matériaux suffisamment purs pour qu'ils soient réellement utiles et répondent aux exigences d'un laser."

C'était un défi que van Deurzen a accepté pendant la pandémie de COVID-19 lorsque le marché a commencé à exploser pour les LED ultraviolettes et d'autres outils capables de détecter et d'éliminer le virus SARS-CoV-2.

"Je voulais un projet de recherche qui pourrait avoir un impact", a déclaré van Deurzen, "et la pandémie a vraiment amplifié le besoin d'appareils ultraviolets améliorés."

Sous la direction des auteurs principaux de l'article, Debdeep Jena et Huili Grace Xing, tous deux professeurs de science et d'ingénierie des matériaux et d'ingénierie électrique et informatique, l'équipe a utilisé l'épitaxie par faisceau moléculaire, une technique de croissance cristalline, pour développer un cristal de nitrure d'aluminium de haute qualité.

"Nous avons besoin de plusieurs couches de nitrure de gallium et d'aluminium empilées les unes sur les autres et un paramètre important est la qualité de l'interface entre ces couches", a déclaré van Deurzen. "Nous pouvons développer des interfaces très nettes sans les impuretés et les dislocations qui se forment avec d'autres techniques de croissance."

Le deuxième défi était de créer une cavité optique à partir des couches empilées qui pourrait être utilisée pour piéger la lumière émise et favoriser l'émission stimulée, ce qui est nécessaire pour le laser. La cavité a été créée sous la forme d'un petit résonateur à l'échelle du micron sur une puce de nitrure d'aluminium que van Deurzen a pu développer avec l'aide du Cornell NanoScale Science and Technology Facility.

"C'est un véritable privilège de pouvoir développer les matériaux et produire la puce dans deux installations de pointe situées dans le même bâtiment", a déclaré van Deurzen, faisant référence à Duffield Hall. "Vous venez de passer du troisième étage au sous-sol."

Une fois terminé, le laser a pu atteindre un gain maximal à une longueur d'onde de 284 nanomètres et des largeurs de raie modales de l'ordre de 0,1 nanomètre. La largeur de raie est d'un ordre de grandeur plus précis que des dispositifs similaires et démontre l'applicabilité de la méthode de croissance à des émetteurs de lumière ultraviolette améliorés.

Le laser ultraviolet profond Cornell est pompé optiquement, ce qui signifie qu'il produit certaines exigences pour le laser en introduisant des photons dans l'appareil. La prochaine étape de la recherche, selon Jena, consiste à utiliser la même plate-forme de matériaux pour réaliser un laser alimenté par un courant électrique provenant d'une batterie - une source d'énergie plus pratique pour les dispositifs électroluminescents disponibles dans le commerce.

"Les lasers à ultraviolets profonds sont sans doute la dernière frontière dans les matériaux et dispositifs semi-conducteurs avec d'immenses avantages à long terme", a déclaré Jena, professeur d'ingénierie David E. Burr et membre de la faculté Richard E. Lunquist Sesquicentennial. "Pourtant, c'est aussi le genre de problème dans lequel un jeune étudiant diplômé peut se lancer et avoir un impact immédiat."

Les co-auteurs de l'article incluent le doctorant Ryan Page et les associés de recherche Vladimir Protasenko et Kazuki Nomoto. La recherche a été financée par le département américain de l'énergie et a été soutenue par des installations d'utilisateurs financées par la National Science Foundation.

Syl Kacapyr est directeur associé du marketing et des communications pour le College of Engineering.

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