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


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Nano-antennes Diélectriques

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Les nanostructures diélectriques à fort indice de réfraction présentent des propriétés optiques originales liées à la présence de résonances optiques dépendantes de leur forme et dimensions. Elles sont de plus en plus étudiées comme des alternatives aux nanostructures plasmoniques pour exalter et contrôler l’interaction lumière-matière à l’échelle sub-longueur d’onde. Les applications concernent le photovoltaïque, les spectroscopies exaltées, la photonique et les meta-matériaux entièrement diélectriques.

Contact : vincent.paillard[at]cemes.fr

Les résonances optiques (modes de Mie) sont visibles sur la figure 1 montrant des nanofils de silicium gravés dans la couche de silicium (100 nm) d’un substrat de silicium sur isolant (SOI) En fonction de la largeur des nanofils (de 50 à 500 nm), la longueur d’onde de la lumière diffusée est modifiée et correspond à celle des résonances.

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Figure 1 : image de microscopie optique en champ sombre de nanofils de silicium gravés dans un substrat SOI. La polarisation de la lumière est perpendiculaire à l’axe des fils. © CEMES-CNRS

 

Les nanostructures diélectriques à fort indice peuvent également être considérées comme des nano-antennes capables de transformer une onde lumineuse se propageant dans l’espace en une onde localisée dans et autour de la nano-antenne. Cette propriété permet ainsi de modifier l’émission de lumière par des émetteurs placés dans le champ proche de la nanostructure. Dans la figure 2, un plan de nanocristaux de silicium enrobé dans de la silice est placé à 3 nm d’un nanofil. La carte de photoluminescence montre une exaltation du signal en présence du nanofil pour une longueur d’onde d’excitation correspondant à une résonance de Mie du nanofil.

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Figure 2 : Left - schéma montrant le couple nanofils-nanocristaux de silicium et l’exaltation de photoluminescence des nanocristaux. A droite spectre de diffusion du nanofil montrant une résonance à l’excitation (532 nm). © CEMES-CNRS

 

La présence des résonances permet aussi de modifier ou d’améliorer les propriétés non linéaires comme la génération de seconde harmonique (SHG). Ainsi, en l’absence de résonance aucune SHG n’est détectée alors qu’une relativement intense émission est observée si les résonances coïncident avec le fondamental et/ou l’harmonique (figure 3).

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Figure 3 : dispositif expérimental pour l’optique non linéaire et cartes de seconde harmonique (2w) pour deux polarisations de l’excitation (w). © CEMES-CNRS

 

Les différentes résonances en fonction du diamètre des nanofils de silicium permettent également d’accéder à différentes contributions de la SHG. Dans la figure 4, deux fils de tailles différentes excités de la même manière émettent une SH de différentes origines. Dans le premier cas (fil de faible diamètre), la SH est due à de forts gradients de champ électrique dans le volume et dans le second à une contribution des surfaces.

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Figure 4 : rotation de la polarisation de la seconde harmonique en fonction du diamètre des nanofils de silicium excités par une radiation polarisée selon l’axe du fil. © CEMES-CNRS