Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (UPR 8011)


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"Modal engineering of surface plasmons in apertured Au nanoprisms"

Publié dans Scientific Reports

par Evelyne Prevots - publié le

Des chercheurs du CEMES ont récemment démontré que l’insertion d’un défaut plasmonique résonant, à savoir un trou, dans un nanoprisme bidimensionnel cristallin d’or permet d’en modifier la densité d’états plasmonique (SP-LDOS) de manière contrôlée et ainsi de développer une ingénierie optique des plasmons à l’échelle nanométrique. L’équipe a utilisé la microscopie à luminescence à deux photons pour révéler l’interaction complexe entre les deux types de résonateurs. Ces résultats, publiés Scientific Reports, ont montré que le contrôle du recouvrement spatial et spectral entre la résonance du trou et les modes plasmoniques de la cavité 2D conduit à différents régimes de modification de la densité plasmonique d’états, depuis une perturbation modérée jusqu’à une complète restructuration modale. Ce travail ouvre la voie à l’ingénierie rationnelle des propriétés optiques de nanostructures métalliques faiblement dissipatives qui pourraient être exploitées pour le traitement de signal depuis échelle mésoscopique jusqu’aux dimensions nanométriques.

Dans ce travail, les nanoprismes métalliques cristallins d’une épaisseur de 20 nm mais de dimensions latérales allant de 500 à 1000 nm sont synthétisés par chimie colloïdale. Contrairement aux systèmes lithographiés, ces structures bidimensionnelles sont monocristallines, ce qui réduit considérablement les pertes de diffusion. Elles se comportent comme des cavités plasmoniques bidimensionnelles qui soutiennent modes plasmoniques d’ordres élevés fixés par la géométrie des nanoprismes. Ces modes plasmoniques de surface, qui résultent des oscillations collectives longitudinales des électrons libres de l’or, peuvent être excités par la lumière visible. Cependant, leurs caractéristiques spectrales et spatiales sont directement régies par la forme et la taille des particules, qui ne peut être modifiée que dans les limites du contrôle de la croissance des monocristaux. En particulier, les formes obtenues par synthèse sont très symétriques (ex. : triangles équilatéraux, hexagones). Afin de développer une ingénierie "à la demande" des propriétés optiques des nanoprismes, la géométrie initiale peut être modifiée en perçant des trous sub-longueur d’onde dans les nanoprismes avec un faisceau d’ions focalisé à quelques nanomètres. Les auteurs ont percé de tels trous sub-longueur d’onde car il est connu que de telles ouvertures perforées dans des films d’or ultra-minces présentent une résonance plasmonique dipolaire qui coïncide précisément avec la gamme spectrale des modes de plasmon d’ordre élevé des nanoprismes. Cette coïncidence est propice à des effets plasmoniques couplés.

Grâce à un laser pulsé femtoseconde, la luminescence à deux photons du trou et la cavité a pu être imagée par l’équipe CEMES qui a sondé les différents régimes du système trou / nanoprisme couplé. L’équipe a montré qu’en fonction de la position et de la taille du trou, seule une faible perturbation ou au contraire une complète reconstruction spatiale de la réponse optique du nanoprisme était obtenue. L’excellent accord entre leur modèle théorique et les données optiques expérimentales a permis une analyse approfondie de ces régimes de couplage. En particulier, les états plasmoniques dans les nanoprismes percées sont significativement différents de ceux supportés par un nanoprisme vierge. Cette étude est une nouvelle étape dans la conception de briques élementaires pour le transfert d’information optique et le traitement à 2D basée par une approche d’ingénierie modale plasmonique comme proposé récemment par cette équipe (voir Nature Materials, 2013, 12, 426-432).

 

Référence

A. Cuche, S. Viarbitskaya, J. Sharma, A. Arbouet, C. Girard, and E. Dujardin. Sci. Reports 5, 16635 (2015).

 

Contact

Dr Aurélien Cuche : cuche chez cemes.fr