Nous proposons une nouvelle méthode de préparation de films minces nanoparticules d’or (Au NPs)/nanocomposite d’oxyde de zinc et d’indium (IZO) basée sur des mécanismes photothermiques avec recuit laser dans le proche infrarouge (NIR). Ceci permet d’intégrer le nanomatériau sur des substrats fragiles tels que du verre fin, des feuilles de plastique ou des pièces imprimées en 3D par traitement par laser. Ces couches minces peuvent être utilisées comme photodétecteur avec une réponse large, dans la gamme 400-800 nm, et des excellentes fiabilité et stabilité de fonctionnement pour des applications comme capteur.

L’originalité du procédé proposé repose sur l’utilisation d’un laser infrarouge pour fabriquer le système nanostructuré avec un contrôlé fin sur la structure des nanoparticules d’or et les propriétés électroniques de la couche de semi-conducteur. Cette approche permet non seulement de simplifier grandement le dispositif expérimental pour intégrer ces nanomatériaux, tout en gardant un contrôle fin sur la structure et les propriétés, mais encore d’obtenir les propriétés semi-conductrices de la couche IZO sans affecter le substrat , ce traitement laser étant extrêmement localisé. On peut donc envisager une intégration sur des substrats « fragiles » tels que des feuilles plastiques ou des objets fabriqués en impression 3D pour leur conférer des fonctionnalités de photodétecteur.

En effet, les nanoparticules d’or jouent ici un double rôle : elles sont essentielles pour induire, par effet plasmonique, l’échauffement local qui conduit aux propriétés semi-conductrices de la couche IZO , mais elles permettent aussi de conférer au film mince des propriétés photorésistives (la résistivité évolue sous éclairement lumineux). On obtient ainsi des propriétés de photodétecteur dans une large gamme de longueur d’onde, de l’UV au proche infrarouge.

En combinant tous ces avantages, on démontre l’intérêt pratique du procédé : on peut intégrer en peu d’étapes, et avec des moyens très simples, un photodétecteur sur un film plastique souple ou une pièce fabriquée en impression 3D par photopolymérisation. IL est donc ainsi possible de fonctionnaliser des plastiques en leur donnant la propriété de mesurer un flux lumineux. De nombreuses applications de dispositifs intégrant un photodétecteur sont envisageables : capteur chimique, capteur de déplacement, monitoring de pouls, objets connectés (IoT)…

Un des intérêts de cette technologie est de permettre d’intégrer un dispositif opto-électronique performant avec des moyens très simples, beaucoup moins coûteux que les dispositifs habituellement utilisés dans le contexte de la micro-électronique.

Ce travail est issu d’une collaboration avec prof. Hsiao-wen Zan, prof. à National Yang Ming Chiao Tung University, dans le cadre d’un projet ANR international (NIRTRONIC) et d’une thèse en cotutelle cofiancée par la région Grand-Est. Une partie de ces résultats a fait l’objet d’un dépôt de brevet.

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Communiqué INC