Des plasmons infrarouges générés sans nanolithographie

1er octobre 2026

Des films continus nanocristallins de polysilicium fortement dopé présentent un comportement plasmonique original, distinct de celui des couches métalliques conventionnelles. En supportant naturellement des résonances plasmoniques de surface localisées, ils permettent d’envisager la fabrication de couches offrant une interaction lumière-matière exacerbée tout en étant ultra-minces, sur de grandes surfaces et sans étape de nanostructuration.

La plasmonique, en utilisant les oscillations collectives des électrons libres (résonances plasmons) dans des nanostructures métalliques ou semiconductrices dopées permet de manipuler la lumière à une échelle sub-longueur d’onde et ce, jusqu’à des dimensions nanométriques. Les avancées majeures en nanofabrication, qui ont permis le développement de métasurfaces, ont largement contribué aux progrès dans ce domaine. Toutefois, malgré des avancées rapides, le déploiement à grande échelle des métasurfaces plasmoniques reste limité par des verrous liés à leur fabrication industrielle et à leur intégration dans des dispositifs fonctionnels.

Dans une étude parue dans nanoletters, des chercheurs du CEMES-CNRS en collaboration avec le CEA-LETI, démontrent qu’une approche alternative est possible : des résonances plasmoniques dans l’infrarouge moyen peuvent apparaître spontanément dans des couches de polysilicium hyperdopé au phosphore ne présentant aucune nanostructuration artificielle. Constituées de grains nanométriques de 5 à 50 nm, ces couches développent des propriétés optiques remarquables qui remettent en question les stratégies classiques de conception des matériaux plasmoniques.

En combinant des techniques avancées de microscopie électronique, de spectroscopie infrarouge et de modélisation électrodynamique, les chercheurs ont montré que ces réponses plasmoniques résultent de la formation naturelle de contrastes métal–diélectrique au niveau des joints de grains. Ces interfaces auto-organisées jouent alors le rôle de nanostructures plasmoniques capables de supporter des résonances de surface localisées.

Ces résultats positionnent ainsi le nano-polysilicium comme une plateforme prometteuse pour le développement de matériaux plasmoniques dans l’infrarouge, durables et à faible coût, en s’affranchissant des étapes complexes de nanofabrication habituellement nécessaires, ouvrant ainsi des perspectives pour de nouvelles applications, notamment dans la gestion thermique des dispositifs photovoltaïques.

A gauche, cartographie des orientations cristallines de la couche mince de polysilicium dopée au phosphore, observée par microscopie électronique en vue plane ; à droite : réponse optique dans l’infra-rouge en transmission de la couche de polysilicium pour deux dopages.

Ces travaux ont bénéficié du soutien de l’Agence nationale de la recherche (ANR), dans le cadre du projet DIAAPASON (ANR-24-CE09-4555), ainsi que du projet Tremplin PLASMONIX de CNRS-Physique.

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

Publication :
Emergence of Localized Surface Plasmons in Unpatterned Hyperdoped Polycrystalline Silicon
M. Bahsoun, J. Groenen, G. Agez, S. Joulié, C. Marcelot, R. Cours, S. Kerdiles, S. Opprecht, C. Bonafos, and J. M.  Poumirol
Nano Letters (2026) : 26 (32)
DOI : https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c01938