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Des nano antennes de silicium pour capter l’infrarouge

Des réseaux de nanodisques de Si dopés pour de la plasmonique IR

par Guy Molénat - publié le

L’apparition de résonances de plasmon de surface localisées dans des réseaux ordonnés de nanodisques de silicium dopés permet d’étendre la plasmonique à la gamme infrarouge. La fréquence de résonance est ajustée simplement avec la quantité de dopants. Jusque-ici limitées aux métaux nobles, les antennes plasmoniques sont désormais en silicium, matériau non toxique et abondant. Ces résultats sont essentiels pour la détection de molécules ou l’imagerie thermique.

La plasmonique, en utilisant les oscillations collectives des électrons libres localisées dans des nanostructures métalliques (résonances plasmons) permet de manipuler la lumière à une échelle très inférieure à sa longueur d’onde, pouvant aller jusqu’à des dimensions nanométriques. Ce domaine ouvre le champ vers la nano-optique permettant de combler l’écart de dimensions entre dispositifs électroniques et optiques.

Dans une étude qui vient de paraître, des chercheurs du CEMES associés à des collègues du LAAS et en collaboration avec le CEA-LETI, ont réalisé pour la première fois un réseau d’antennes plasmoniques composé de nano objets en silicium dopé, un matériau non toxique et abondant de la famille des semiconducteurs, à la base de la microélectronique (photo d’en-tête : trois de ces nano objets dont la hauteur du pied rouge fait 23 nanomètres. Image colorisée obtenue en microscopie électronique en transmission qui montre en rouge les régions composées de silicium et en bleu celles de silice (SiO2)).

Forts de leurs grandes connaissances en science des matériaux, nanotechnologie et optique infra-rouge, ils ont utilisé une approche descendante qui consiste à optimiser le dopage de couches minces de silicium sur isolant (ici SiO2) au-delà des doses usuelles au moyen d’un recuit thermique par laser impulsionnel, avant de former par gravure par lithographie électronique des réseaux hexagonaux denses de disques identiques et de tailles nanométriques. Ces nanostructures dopées présentent des résonances plasmon de surface localisées intenses, mesurées dans le moyen et proche infrarouge par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier. La résonance plasmon est accordable dans une large fenêtre spectrale en ajustant la concentration en porteurs libres via le dopage en phosphore.

 

Des simulations numériques ont permis d’étudier les propriétés optiques d’un seul nanodisque ainsi que de la métasurface et identifier ainsi des effets collectifs et le couplage en champ proche dans la métasurface.

Ces résultats ouvrent des perspectives très prometteuses pour le développement de dispositifs plasmoniques intégrés tout silicium visant des applications nécessitant de la détection infrarouge à large bande et haute résolution, tels que des bolomètres micro-intégrés ou des caméras infrarouge miniaturisées.

Ce travail est financé par l’ANR DONNA (Doping at the Nanoscale) (ANR-18-CE09-0034).

 

Publication  : Hyper-Doped Silicon Nanoantennas and Metasurfaces for Tunable Infrared Plasmonics

Jean-Marie Poumirol, Clément Majorel, Nicolas Chery, Christian Girard, Peter R. Wiecha, Nicolas Mallet, Richard Monflier, Guilhem Larrieu, Filadelfo Cristiano, Anne-Sophie Royet, Pablo Acosta Alba, Sébastien Kerdiles, Vincent Paillard and Caroline Bonafos, ACS Photonics 8, 5, 1393-1399 (2021)

 

Contacts :

Jean-Marie Poumirol, jean-marie.poumirol [chez] cemes.fr

Guilhem Larrieu, guilhem.larrieu [chez] laas.fr

Sébastien Kerdilès, sebastien.kerdiles [chez] CEA.fr