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C’est démontré : le graphène multiplie l’électricité à partir de la lumière

Il y a environ un an, un groupe de chercheurs de l’Institut des Sciences photoniques de Barcelone (ICFO) démontrait indirectement que le graphène pouvait transformer un seul photon en plusieurs électrons. Autrement dit, qu’il pouvait être hautement efficace pour transformer la lumière en électricité.

Il y a environ un an, un groupe de chercheurs de l’Institut des Sciences photoniques de Barcelone (ICFO) démontrait indirectement que le graphène pouvait transformer un seul photon en plusieurs électrons. Autrement dit, qu’il pouvait être hautement efficace pour transformer la lumière en électricité. Maintenant, un groupe de scientifiques de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) est parvenu à démontrer comment ce phénomène se produit. Ses travaux, qui ont été publiés dans la revue Nano Letters, ouvrent la possibilité de créer une nouvelle génération de dispositifs photovoltaïques très avancés à l’aide de ce matériau.

le graphène pouvait transformer un seul photon en plusieurs électrons
Image reproduite avec l’aimable autorisation de l’ICFO.

Les scientifiques savaient déjà que, lorsque le graphène absorbe un photon, il génère plusieurs électrons possédant l’énergie suffisante pour conduire un courant électrique. Le problème résidait dans le fait que ce phénomène de conversion des photons en électricité se produit à une vitesse telle que les techniques traditionnelles étaient dans l’impossibilité de le détecter. Or, voilà qu’une équipe composée de scientifiques de différentes universités (l’EPFL suisse, l’Aarhus danoise et le centre Elettra italien) a mis au point une nouvelle méthode de spectroscopie dite « de photoémission en temps ultrarapide résolue en angle » (trARPES) qui, elle, le permet.

La démonstration de cette technique avancée de spectroscopie s’est effectuée au laboratoire Rutherford Appleton d’Oxford (Angleterre). Pour être en mesure de capturer le processus de conversion, les chercheurs ont introduit un petit échantillon de graphène dans un appareil à haut ultravide (UHV) et l’ont soumis à l’impact d’une impulsion « pompe » ultrarapide de lumière laser afin d’exciter ses électrons et de les mener à des états d’énergie plus élevés où ils peuvent conduire un courant électrique. Ils ont alors envoyé sur le graphène une impulsion « sonde » temporisée qui photographie l’énergie que chaque électron présente à un moment donné. Les instantanées sont prises en rafale de façon à créer une sorte de film d’animation qui témoigne de tout le processus de conversion.

Le contrôle du flux d’énergie dans les télécommunications

Tout comme les photons sont des quantifications (quantums) d’ondes électromagnétiques et mécaniques, le plasmon est la quasiparticule résultant de la quantification de fréquence plasma. Il y a quelques jours, les scientifiques de l’ICFO, du MIT, du CNRS, du CNISM et de Graphanea ont démontré qu’il était possible d’effectuer le contrôle électrique du flux d’énergie de ions d’erbium vers les photons et les plasmons grâce à la simple application d’un voltage électrique. Les ions d’erbium émettent de la lumière à une longueur d’onde de 1,5 mm, longueur connue sous le nom de troisième fenêtre des télécommunications (particulièrement importante dans les télécommunications optiques car il s’agit d’une région où il ne se produit qu’une faible perte d’énergie, ce qui favorise la transmission de l’information). Ils sont utilisés dans les amplificateurs de fibre optique.

La structure cristalline idéale du graphène est une grille hexagonale
La structure cristalline idéale du graphène est une grille hexagonale. Auteur de l’image : Alexander AlUS via Wikimedia Commons.

Le fait de pouvoir contrôler la modulation électrique de l’émission de photons dans les communications optiques et dans les dispositifs émetteurs de lumière comme les lasers, les capteurs ou les écrans est particulièrement important, car il ouvre la possibilité de créer de nouveaux nano-dispositifs photoniques fondés sur la plasmonique.

Pour Frank Koppens, chercheur à l’ICFO, ces travaux « démontrent que, grâce aux propriétés optoélectriques du graphène, le contrôle efficace de la lumière à une échelle nanométrique est possible ». Les résultats de la recherche peuvent donner lieu à une nouvelle génération de nano-capteurs ayant des applications dans différents domaines, comme celui des biomolécules, celui des cellules solaires et celui des détecteurs de lumière, ainsi que dans le traitement de l’information quantique.

L’étude, publiée dans la revue Nature Physics,  a été financée par Flagship Grafeno de la Commission européenne, le programme NWO Rubicon, la fondation privée Cellex Barcelona et les programmes ERC et MIT MISTI-España.

+INFO:

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Sources :

http://spectrum.ieee.org/nanoclast/green-tech/solar/graphene-gets-another-boost-in-high-conversion-efficiency-photovoltaics

http://graphene-flagship.eu/?news=graphene-enables-electrical-control-of-energy-flow-from-light-emitters

http://www.graphenano.com

http://graphene.icfo.eu/news/76/graphene-enables-all-electrical-control-of-energy-flow-from-light-emitters

https://descubrelaenergia.fundaciondescubre.es/2015/01/21/grafeno-para-controlar-el-flujo-de-energia-en-las-telecomunicaciones/