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 (typiquement des nanostructures de silicium) présentent des propriétés optiques originales liées à la présence de résonances optiques (résonances de Mie) 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 les dispositifs photovolatïques, les pixels colorés, les meta-surfaces, l’optique non linéaire et les sources quantiques de lumière.

Contact : vincent.paillard[at]cemes.fr

 

Dans la figure 1, des nanostructures de formes complexes optimisées par une approche de design inversé (algorithme évolutionniste d’optimisation multi-objectifs, couplé à des simulations numériques) montrent des propriétés de diffusion de la lumière ajustables selon la longueur d’onde et la polarisation de la lumière.

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Figure 1 : Nanostructures de Si modélisées par algorithme évolutionniste pour optimiser l’efficacité de diffusion de la lumière à deux longueurs d’ondes et deux polarisations. A gauche : design des pixels (simulations et images en microscopie électronique à balayage des structures produites par lithographie électronique). A droite : images de microscopie optique en champ sombre filtrées en polarisation de pictogrammes fabriqués à partir des pixels obtenus par design inversé. © CEMES-CNRS

 

Les nanostructures diélectriques à fort indice se comportent 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 (effet Purcell). Dans la figure 2, L’émission de lumière d’un film mince dopé d’ions de terre rare (Eu3+) déposé sur une nanostructure de Si est fortement modifiée par la présence de la nanostructure. De plus, la carte de photoluminescence correspondant à l’émission dipolaire magnétique à 590 nm est très différente de celle de l’émission dipolaire électrique à 610 nm. Cette propriété remarquable est due à la modification des densités d’états de photons électrique et magnétique autour de la nanostructure.

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Figure 2 : (a) balayage par un faisceau laser d’un film mince dopé Eu3+ pour la cartographie de photoluminescence (PL) ; (b) comparaison des cartes (exp.) des transitions dipolaires électriques et magnétiques avec les densités d’états photoniques électriques et magnétiques (sim.) ; (c) spectre de PL montrant les transitions dipolaires magnétiques (590 nm) et électriques (610 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

 

Financements : ANR HiLight (2020-24), EUR NanoX 2DLight (2019-2021)

 

[1] P. R. Wiecha et al., Nature Nanotech. 12 , 163–169 (2016).

[2] P. R. Wiecha et al., App. Optics 58, 1682-1690 (2019).

[3] P. R. Wiecha et al., Phys. Rev. B 93, 125421 (2016).

[4] P. R. Wiecha et al., Phys. Rev. B 91, 121416 (2015).