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Les progrès technologiques réalisés par le MIT promettent de révolutionner la manière dont nous percevons notre environnement. Grâce à une innovation majeure, les lunettes de vision nocturne pourraient bientôt être aussi légères et discrètes que des lunettes ordinaires. Ce développement repose sur la création d’un film pyrolélectrique ultrafin capable de détecter la chaleur sur tout le spectre infrarouge sans nécessiter d’encombrants refroidisseurs cryogéniques. Ces percées ouvrent de nouvelles perspectives pour une multitude d’applications allant des drones légers aux capteurs environnementaux ultra-minces.
Une recette pour des céramiques ultra-minces
Les chercheurs du MIT, dirigés par Xinyuan Zhang et le professeur Jeehwan Kim, ont mis au point une méthode innovante pour créer des films pyrolélectriques. Le processus commence par la croissance épitaxiale, une technique bien connue dans le domaine des semi-conducteurs. Ce qui est remarquable, c’est que l’équipe a réussi à détacher le film de céramique pyrolélectrique PMN-PT sans utiliser de couche intermédiaire de graphène, habituellement nécessaire pour le processus connu sous le nom d’épitaxie à distance.
Les atomes de plomb présents à l’interface agissent comme une sorte de Teflon à l’échelle nanométrique, empêchant la formation de liens chimiques entre le film et le substrat. Cette découverte permet de détacher des feuilles parfaites de 10 nanomètres, soit mille fois plus fines qu’un cheveu humain, sans endommager le coûteux substrat de saphir, qui peut ainsi être réutilisé.
Pourquoi plus fin signifie meilleure vision thermique
Les pyrolélectriques génèrent une impulsion électrique chaque fois que leur température change, et leur miniaturisation augmente leur sensibilité. En effet, une plus petite capacité thermique permet au matériau de suivre les fluctuations thermiques les plus infimes que les couches plus épaisses ne détecteraient pas.
Le prototype développé par le MIT comprend 100 pixels de 60 micromètres chacun. Lors des tests, l’array a détecté des variations de température de quelques millikelvins sur des longueurs d’onde allant de 3 à 14 micromètres, couvrant ainsi l’ensemble de la bande infrarouge moyenne et lointaine utilisée pour l’imagerie thermique. Ce niveau de sensibilité rivalise avec les meilleurs photodétecteurs à mercure-cadmium-telluride actuels, tout en fonctionnant à température ambiante, contrairement aux capteurs actuels qui nécessitent un refroidissement à –196 °C.
Des lunettes aux lentilles à clipser
Le matériel de refroidissement est souvent ce qui rend les lunettes de vision nocturne actuelles lourdes et coûteuses. Un capteur non refroidi, mais tout aussi sensible, pourrait considérablement réduire le poids et le coût de ces dispositifs. Selon Zhang, ce film pourrait être directement laminé sur des lentilles de lunettes incurvées.
Les autres composants nécessaires, tels que l’électronique de lecture, les batteries et les optiques simples, pourraient s’intégrer dans une monture de lunettes standard. L’équipe travaille actuellement à l’intégration d’une puce test de 1 024 pixels avec une circuiterie CMOS et prévoit des essais sur le terrain sous diverses conditions d’humidité, de température et de vibration.
Une palette infrarouge élargie
Les caméras thermiques conventionnelles ajustent leurs pixels à une étroite tranche du spectre infrarouge. En revanche, la feuille de PMN-PT répond sur l’ensemble du spectre, autorisant des appareils multitâches. Par exemple, sur une voiture autonome, un capteur ultrafin pourrait à la fois détecter les piétons à 10 micromètres et lire les cartes de température des routes tout en détectant la glace à des longueurs d’onde plus courtes.
Dans les télescopes spatiaux, où chaque gramme compte, cette membrane pourrait imager les nuages interstellaires froids sans refroidisseurs à hélium liquide. En médecine, des versions pour lentilles de contact pourraient surveiller les motifs de température du film lacrymal liés à des maladies oculaires, tandis que des feuilles de grande surface pourraient envelopper des paquets de processeurs pour détecter les points chauds microscopiques avant qu’ils ne provoquent des pannes.
Les avancées du MIT dans le domaine des capteurs infrarouges pourraient bien transformer notre façon d’interagir avec le monde. En rendant ces technologies plus accessibles et polyvalentes, quelles nouvelles opportunités pourrions-nous explorer dans les années à venir ?
