Imagerie térahertz avec capteurs à ondes de plasma

Application au contrôle non destructif volumique 24/10/2015
Publication REE REE 2015-4
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2015-4:14196
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Imagerie térahertz avec capteurs à ondes de plasma

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SONDER LA MATIÈRE PAR LES ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUES REE N°4/2015 99 URSI 2015 Introduction Les ondes électromagnétiques (EM) térahertz (THz) cor- respondent au domaine spectral situé entre l’infrarouge loin- tain et les hyperfréquences. Elles sont associées à une gamme de fréquences comprise entre 0,1 THz et 30 THz ou encore à des longueurs d’ondes dites sub-mm comprises entre 0,01 mm et 3 mm. L’énergie des photons térahertz est de l’ordre du meV. C’est une énergie très faible, environ 1 000 fois plus petite que celle des transitions entre niveaux élec- troniques des atomes, et même plus faible que l’énergie ther- mique à température ambiante (kB T 27 meV, kB la constante de Boltzmann 1,38 ×10–23 J/K). L’interaction entre les ondes térahertz et la matière ne peut mettre en jeu que des phéno- mènes peu énergétiques. Ces ondes ont la particularité de tra- verser un grand nombre de matériaux opaques aux longueurs d’ondes visible et infrarouge (exemples : vêtements, papier, bois, carton, plastiques…) et être absorbées par les matériaux conducteurs et les liquides polaires comme l’eau. De nom- breuses molécules présentent une signature spectrale spéci- fique qui souvent n’existe pas dans d’autres régions du spectre électromagnétique comme le proche ou le moyen infrarouge. Par ailleurs les ondes térahertz sont non ionisantes à la diffé- rence des rayons X, elles sont capables de pénétrer la matière organique ou inorganique sans induire de dommages. Toutes ces caractéristiques permettent aux ondes térahertz de présenter un intérêt d’une part pour la spectroscopie, per- mettant la caractérisation de certaines propriétés structurelles de la matière ou l’identification de composés chimiques dans les matériaux, et d’autre part pour l’imagerie qui peut fournir des analyses aussi bien en surface qu’en volume. Imagerie térahertz avec capteurs à ondes de plasma Application au contrôle non destructif volumique Par Meriam Trikia1 , T. Antoninia , C. Archiera , B. Moulina , F. Teppeb , P. Solignacb , N. Dyakonovab , W. Knapb T-Waves Technologiesa , Laboratoire Charles Coulomb (L2C), UMR CNRS 5221, université Montpellier IIb , Auteur principal1 The aim of this report is to present potential interest of a new technology of sensor for measuring tera- hertz radiation and its application as imaging systems as a volumetric, safe, contact free and real-time non-destructive testing systems. These systems could be easily integrated in industrial facilities allowing the detection of surface, subsurface and in-depth defects in a variety of composite materials (dielectric, polymer, composite, cera- mics…). Our optical setups are based on the use of High-Electron-Mobility Transistors (HEMT) as compact sensitive and rapid detectors operating at room temperature. The physical bases that explain the functioning of these sensors will be discussed. Our imaging systems and results of some case studies will be presented. ABSTRACT Figure 1 : Localisation schématique des ondes térahertz dans le spectre électromagnétique. SONDER LA MATIÈRE PAR LES ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUESURSI 2015 100 REE N°4/2015 Les ondes térahertz ont été longtemps cantonnées aux sec- teurs de l’observation astronomique et de la physique de la matière condensée. Mais au fil du temps, certains paliers tech- nologiques ont été franchis pour les sources et les capteurs du domaine. Des avancées ont été réalisées à plusieurs niveaux : fréquences d’accès, gammes de balayage en fréquence, fonc- tionnement à température ambiante, rapidité, stabilité, sensi- bilité, compacité et coût. Ceci permet d’envisager aujourd’hui la conception de systèmes optoélectroniques térahertz pour répondre à la fois à de nombreuses applications et attentes de divers secteurs académiques et industriels notamment pour le contrôle en ligne de la qualité et de la production d’une large gamme de matériaux. L’imagerie et la spectroscopie térahertz ont de fortes potentia- lités d’applications dans plusieurs domaines tels que la sécurité, la défense, l’environnement, la santé, l’agronomie, l’agroalimen- taire, la biologie, etc. Les ondes THz peuvent être en effet uti- lisées pour étudier les mutations génétiques, identifier des drogues et médicaments, identifier des tumeurs cancéreuses et des caries dentaires, étudier le stress hydrique des plantes et la vibration des membranes cellulaires ou de microtubules. Capteurs à ondes de plasma Il existe un certain nombre d’émetteurs et de capteurs térahertz technologiquement matures, développés au niveau international (micro-bolomètres [1] ; diodes schottky, Gunn et Impatt [2] ; pyroélectriques [3]...) possédant des spécificités intéressantes pour des applications ciblées. Cependant, ces technologies existantes possèdent pour la plupart des désa- vantages tels qu’une utilisation à très basse température, un coût élevé, une faible vitesse de modulation ou encore des difficultés d’intégration dans les circuits électroniques usuels. La technologie capteur à ondes de plasma [4] développée en partenariat entre l’équipe de recherche « Spectroscopie THz et métrologie quantique » du laboratoire Charles Coulomb de l’université de Montpellier et la start-up “T-Waves Technolo- gies”, présente les caractéristiques adéquates à son utilisation dans des systèmes d’imagerie compactes, peu coûteux, fonc- tionnant à température ambiante et en temps réel. De plus, cette nouvelle technologie détient le record du monde de sen- sibilité à 0,3 THz depuis 2011 [5]. Eléments théoriques La technologie des capteurs à ondes de plasma repose sur l’exploitation des propriétés collectives des électrons dans un transistor de dimension nanométrique. Dans les matériaux conducteurs, le plasma est un gaz électriquement neutre dont les particules libres, les électrons, sont chargées négativement et les ions, positivement. Les ondes de plasma sont des oscil- lations (spatiales et temporelles) de la densité d’électrons se déplaçant dans le matériau. La fréquence de ces « vagues d’électrons » dépend du nombre de particules et des dimen- sions du matériau dans lesquelles elles se déplacent. Plus le dispositif est petit, plus la fréquence des ondes est élevée. Cette fréquence entre dans la gamme THz lorsque les dimen- sions du matériau deviennent nanométriques. En 1993, ces idées ont été proposées par les professeurs Dyakonov et Shur et appliquées à des nanotransistors dans lesquels ces ondes de plasma peuvent être mises en réso- nance par l’action d’une onde térahertz incidente ou par l’ap- plication d’un courant continu. Ces résonances plasmas permettent donc à des transistors type HEMT de fonctionner bien au-delà de leur fréquence de coupure en émettant ou en détectant des radiations THz [7]. C’est donc grâce à l’avènement des nanotechnologies qu’il a été possible 10 ans après le travail théorique de Dyakonov et Shur de prouver expérimentalement ces idées. En effet, en 2002, Knap et al. [8] démontrent successivement la détec- tion THz résonante et non résonante dans des nanotransistors de GaAs. Depuis, un grand nombre de publications ont attesté Figure 2 : Représentation d’un transistor à canal 2D d’électrons excité par une onde électromagnétique externe – Source : Twaves. REE N°4/2015 101 Imagerie térahertz avec capteurs à ondes de plasma de la possibilité de concevoir des nanotransistors issus de diffé- rentes technologies pour détecter efficacement et rapidement des radiations THz. Aujourd’hui, le développement des procé- dés de fabrication et des nouvelles structures de transistors [9] permettent la détection d’ondes térahertz sur une large bande spectrale allant de 0,2 THz jusqu’à 4,3 THz [10], avec des sen- sibilités pouvant atteindre 80 kV/W [11]. Ces détecteurs sont maintenant utilisables dans des systèmes de communication et d’imagerie térahertz [5, 12] à faible coût, opérant à tempé- rature ambiante et facilement intégrables dans des systèmes plus complexes et très rapides. Etant donné leur fréquence de modulation (on/off) de l’ordre de la dizaine de GHz, leur temps de réponse est donc très court, de l’ordre de la dizaine de ps. La figure 2 illustre le comportement d’un transistor à ondes de plasma. L’onde incidente est couplée entre la source et la grille du transistor, entraînant une modulation de la densité et de vitesse des porteurs de charge au sein du canal du tran- sistor. Cette modulation est ensuite redressée entre le drain et la source en une tension continue, proportionnelle à l’am- plitude de l’onde électromagnétique incidente. D’un point de vue pratique, c’est cette tension continue (Uds) qui est mesu- rée lorsque l’on utilise ces détecteurs, la tension grille source (Ugs) servant alors à polariser le composant de façon à le pla- cer dans son régime de détection optimale. Le transistor à ondes de plasma possède deux modes de fonctionnement dépendant des propriétés intrinsèques du matériau consti- tuant le détecteur. Lorsque les électrons sont très mobiles dans le canal, l’onde de plasma peut alors se déplacer d’un bord à l’autre et se transformer en onde stationnaire, permet- tant une détection résonante et donc accordable par la tension de grille. Lorsque les électrons sont peu mobiles, l’onde de plasma s’amortit, la résonance n’est plus possible et la détec- tion devient large bande. Ce cas est classiquement utilisé en fonctionnant à température ambiante pour détecter des ondes entre 50 GHz et plusieurs THz. Systèmes d’imagerie térahertz Version 2D La société T-Waves Technologies a développé une version commerciale de capteur à onde de plasma destinée au monde de la recherche scientifique dans un premier temps et pré- voit le développement d’un système d’acquisition d’images 2D à partir de ce capteur ponctuel et d’une table de transla- tion XYZ pour répondre aux attentes de clients industriels en termes d’analyse de nouveaux matériaux, de mise au point de leurs procédés de fabrication et de contrôle qualité des maté- riaux ou produits finis. Une version 2D du système d’image- rie, basée sur l’acquisition point à point d’une mesure d’un signal térahertz, est déjà disponible en configuration de trans- mission (figure 3 (a)) et de réflexion. L’image 2D est acquise par déplacement XY d’un échantillon situé entre une source et un capteur térahertz. Ce déplacement est assuré par des pla- tines de translation suivant des pas variant de 100 µm à 500 µm. Le rayonnement térahertz étant pénétrant, les images 2D sont en fait des radiographies de l’objet à analyser ou peuvent être interprétées comme des cartes de densité volumique de ce dernier, et certaines propriétés peuvent alors être révélées comme la teneur en eau ou la présence de contamination et de défauts. Nous reportons dans la figure 4 plusieurs images térahertz obtenues avec nos systèmes d’imagerie version 2D. Figure 3 : Système d’imagerie 2D, mode transmission. SONDER LA MATIÈRE PAR LES ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUESURSI 2015 102 REE N°4/2015 Version 3D L’extension de cette version du système d’imagerie à un système 3D (figure 5) est en cours. Elle est basée sur l’acqui- sition de 36 images différentes de l’objet disposé sur une pla- tine rotative avec un pas angulaire de 10 degrés. Perspectives Nous continuons nos efforts sur l’amélioration de la réso- lution de nos systèmes d’imagerie térahertz et l’extension de la gamme des configurations optiques associée pour pou- voir répondre au plus grand nombre d’applications possibles Image térahertz Visualisation colorisée (b) Impact foudre sur composite en fibres de carbone. (a) Endommagements sur panneau sandwich avec NIDA. (c) Défauts de soudure sur pièce composite en fibres de verre. Figure 4 : Images térahertz 2D – Source : Twaves. Figure 5 : Version 3D – Source : Twaves. (a) Système d’imagerie. (b) Image 3D d’un comprimé. REE N°4/2015 103 Imagerie térahertz avec capteurs à ondes de plasma à l’échelle académique et industrielle. Nous sommes en train de transférer la technologie de notre capteur ponctuel à un capteur linéaire, technologie qui nous permettrait un gain de temps considérable pour l’imagerie en particulier pour les grands objets. Enfin nous signalons que nos développements au niveau de différentes configurations possibles pour la spec- troscopie térahertz sont également en cours d’évolution. Nous souhaitons développer une complémentarité entre les ana- lyses issues de la spectroscopie et celles de l’imagerie dans le domaine térahertz pour le contrôle non destructif volumique de la matière. Références [1] Jonathan Oden & al., Optics Express, Vol. 21, Issue 4, pp. 4817-4825 (2013). [2] Ruonan Han & al., IEEE Journal 48, Issue 10, pp. 2296-2308 (2013). [3] Christopher W. Berry & al., arXiv:1412.6878 (2014). [4] Wojciech Knap & al., Nanotechnology, V. 24, no. 21, pp. 214002 (2013). [5] Franz Schuster & al., Optics Express, Vol. 19, Issue 8, pp. 7827- 7832 (2011). [6] Michael Dyakonov & al., Phys. Rev. Lett., Vol. 71, Issue 15, pp. 2465-2468 (1993). [7] Michael Dyakonov & al., IEEE Transactions on Electronics Devices, Vol. 45, no. 10, pp. 1640-1645 (1996). [8] Wojciech Knap & al., Appl. Phys. Lett., Vol. 80, no. 18, pp. 3433-3435 (2002). [9] Gregory C. Dyer et al., IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 17, no.1, pp. 85-91 (2011). [10] Sebastian Boppel, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 60, no.12, pp. 3834-3843 (2012). [11] Erik Ojefors, Journal of Solid-State Circuits, Vol. 44, no. 7, pp. 1968-1976 (2009). [12] S. Nadar, Journal of Applied Physics, Vol. 108, pp. 054508 (2010). L'AUTEUR Meriam Triki est docteur en physique, spécialité physique de la matière condensée et du rayonnement. Elle jouit de neuf ans d’expérience en recherche et développement en optique, lasers, spectroscopie infra-rouge et visible, en déve- loppement et conception de systèmes optiques, caractéri- sation et mise au point de sources laser, modélisation et simulation de l’interaction onde-matière et en gestion de projets collaboratifs.