Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales


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Les nanocristaux de Si dopés, des sondes optiques ultra sensibles

Le silicium au service de la plasmonique

par Guy Molénat - publié le

La plasmonique, en utilisant les oscillations collectives des électrons libres localisées dans des nanostructures métalliques ou semiconductrices dopées (résonances plasmons) permet de manipuler la lumière à une échelle très inférieure à sa longueur d’onde, jusqu’à des dimensions nanométriques.

Dans une étude qui vient de paraître, des chercheurs du CEMES associés à quatre autres laboratoires français, ont démontré l’apparition de résonances plasmon de surface portées par de petits (<10 nm) SiNCs dopés avec du phosphore (P) et enrobés dans une matrice de silice. Ces SiNCs ont été fabriqués au laboratoire par implantation ionique à basse énergie et leur résonance plasmon est mesurée dans l’infrarouge (IR) moyen (4-7 µm) par spectroscopie IR à transformée de Fourier (FTIR). Elle est accordable dans une large fenêtre spectrale en ajustant la concentration en porteurs libres via le dopage en phosphore.

Gauche : Image de microscopie électronique filtrée en énergie (EFTEM) des SiNCs dopés au P. En encart, image en sonde atomique tomographique montrant la répartition des atomes de P (en noir) au sein d’un SiNC (en rouge). Droite : Nombre d’électrons libres/NC en fonction de la concentration de porteurs au sein de ces derniers. En encart : Mesures FTIR de la résonance plasmon de surface pour différentes doses de P implantées.

La comparaison avec des simulations numériques a permis de mettre en évidence un couplage entre ce mode plasmon et les phonons IR de la matrice de silice environnante. Nous avons également démontré qu’une dizaine d’électrons libres à l’intérieur de la nanostructure sont suffisants pour produire un plasmon. Enfin, la petite taille des NCs, bien inférieure au libre parcours moyen des électrons, réduit drastiquement leur mobilité, ce qui conduit à un élargissement de la signature plasmon. Ce phénomène est aggravé pour les forts dopage par la formation d’agrégats de P au sein de ces derniers.

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

Publication : M. Zhang, JM Poumirol, N. Chery, C. Majorel, R. Demoulin, E. Talbot, H. Rinnert, C. Girard, F. Cristiano, P. R. Wiecha, T. Hungria, V. Paillard, A. Arbouet, B. Pécassou, F. Gourbilleau and C. Bonafos
Nanophotonics 11 (15), 3485 (2022).

Contact : Caroline Bonafos, caroline.bonafos[chez]cemes.fr
Jean-Marie Poumirol, jean-marie.poumirol[chez]cemes.fr