NeO

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.

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.

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.

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.

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)

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).

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

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.

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

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

La Plasmonique & Nano-Optique Quantique vise à transposer à 2D certains concepts d’optique quantique en remplaçant le mode de cavité habituel par un mode plasmon supporté par une nanostructure métallique ou par un mode photonique dans une structure diélectrique à la géométrie appropriée. Les Plasmons de Surface sont des modes longitudinaux qui existent à l’interface entre un métal et un diélectrique et qui permettent une propagation du signal à deux dimensions (2D) en même temps qu’un confinement et une exaltation du champ dans des volumes sub-longueur d’onde. D’un autre côté, les nanostructures diélectriques supportent des modes photoniques avec des propriétés de confinement, exaltation et propagation similaires. Le régime quantique nécessite la génération d’excitations élémentaires uniques et ceci peut être obtenu en couplant un ou plusieurs émetteurs de photons uniques [1] à des cavités plasmoniques ou photoniques. Ce domaine des excitations uniques peut amener à des régimes fascinants où dégroupement de photons, interférences quantiques et intrication pourraient être observés dans des structures métalliques ou diélectrique. Dans le contexte des technologies quantiques, ceci permet d’envisager le développement de briques élémentaires reposant sur les propriétés quantiques de la lumière pour le transfert et le contrôle de l’information.

Contact : Aurélien Cuche

• Source de photons uniques : Centres colorés (NV, SiV, GeV) dans des nanodiamants

Figure 1 : Gauche – Carte confocale de photoluminescence de nanodiamants uniques contenant des centres colorés NV-. Droite – Spectre de photoluminescence du centre NV chargé négativement (La courbe de dégroupement de photons insérée provient de la référence [1]). © CEMES-CNRS

• Propagation et manipulation de photons/plasmons uniques à 2D

Figure 2 : Gauche – Illustration d’un nanodiamant contenant un seul centre NV excitant des plasmons se propageant dans une cavité plasmonique hexagonale. Centre – Spectre de luminescence expérimental d’un centre NV unique couplé à une telle cavité hexagonale en or cristallin (courbe d’autocorrélation en inset). Droite – Images champ large de la luminescence de ce même nanodiamant couplé à cette cavité plasmonique 2D cristalline (8 µm de l’extrémité gauche à l’extrémité droite). Il est possible de voir la propagation du signal à 2D par l’intermédiaire des plasmons. Les résultats sont issus de la référence [2] (Ce travail est une collaboration entre les groupes NeO et GNS du CEMES et l’ETH Zurich). © CEMES-CNRS

Figure 3 : (a) Image en microscopie électronique à balayage de la cavité colloïdale en or (8 µm de l’extrémité gauche à l’extrémité droite) après façonnage par faisceau d’ions focalisés (FIB). (b) Images champ large de la luminescence du nanodiamant couplé à la même cavité plasmonique 2D cristalline après façonnage par FIB via l’ajout d’un réseau de trous. (c) Simulation du système décrit en (b) (formalisme de la fonction de Green dyadique). Les résultats sont issus de la référence [2] (Ce travail est une collaboration entre les groupes NeO et GNS du CEMES et l’ETH Zurich). © CEMES-CNRS

• Hyperspectral quantum NSOM

Figure 4 : Gauche – Représentation schématique d’un émetteur scalaire & quantique attaché à l’apex d’une pointe NSOM [3] et balayé au-dessus d’une nano-cavité 2D en argent.
Centre – Simulation de la densité d’états locale optiques (LDOS) au-dessus d’une cavité de 900 nm de côté. Droite – Comparaison de la LDOS et du signal de fluorescence le long d’une ligne au-dessus de la structure illustrée par la flèche jaune dans l’image du centre. Les résultats sont issus de la référence [4] (Ce travail est une collaboration entre l’Institut Néel, le laboratoire ICB et les groupes NeO et GNS du CEMES). © CEMES-CNRS

• Contrôle de la propagation de photons uniques dans des nanostructures en Silicium

Figure 5 : Haut – Images champ large de la luminescence d’un nanodiamant contenant trois centres NV couplé à l’extrémité d’un nanofil de silicium de 7 µm de long. L’image en microscopie électronique de ce fil de section nanométrique est présentée en insert. Bas – Courbes d’autocorrélation mesurées directement sur le nanodiamant (in) et après propagation des photons dans le nanofil (out). Ces courbes présentent le même dégroupement de photons montrant la nature quantique de la source de lumière. Les résultats sont issus de la référence [5] (Ce travail est une collaboration entre le LAAS, le laboratoire ICB et le groupe NeO du CEMES). © CEMES-CNRS

• Positionnement déterministe d’émetteurs quantiques par nanoxérographie AFM

Figure 6 : Gauche – Deux images de grandissements différents de microscopie à force atomique (AFM) de nanodiamants positionnés de façon contrôlée par nanoxerographie AFM sur un substrat SOI. Centre – Image confocale de photoluminescence du nanodiamant présenté en AFM sur l’image de gauche. Droite – Courbe d’autocorrélation présentant du dégroupement de photons acquise sur le même nanodiamant. Ces résultats sont issus de la référence [6]). (Ce travail est une collaboration entre le groupe NeO du CEMES, le groupe Nanotech du LPCNO et le LAAS). © CEMES-CNRS

Figure 7 : Gauche – Images optique de diffusion en champ sombre de nanostructures en silicium (dimères) lithographiées sur un substrat SOI. Centre – Image en microscopie électronique du dimère entourée d’un cercle orange sur l’image de gauche (en haut). Image confocale de photoluminescence d’un nanodiamant positionné par nanoxérographie AFM au centre du dimère présenté en haut (en bas). Droite – Courbe d’autocorrélation présentant du dégroupement de photons acquise sur ce même nanodiamant. Ces résultats sont issus de la référence [7]). (Ce travail est une collaboration entre le groupe NeO du CEMES, le groupe Nanotech du LPCNO et le LAAS). © CEMES-CNRS

[1] Y. Sonnefraud et al., Opt. Lett. 33, 611 (2008).

[2] U. Kumar et al., Nanoscale 12, 13414 (2020).

[3] A. Cuche et al., Nanolett. 10, 4566 (2010).

[4] A. Cuche et al., Phys. Rev. B 95, 121402(R) (2017).

[5] M. Humbert et al., Phys. Rev. Applied 17, 014008 (2022).

[6] M. Humbert et al., Nanotechnology 33, 215301 (2022).

[7] M. Humbert et al., en préparation (2022).

Dans le cadre de nos recherches dans les domaines de la nano-optique et de la nano-photonique, nous avons développé des concepts nouveaux, des théories adaptées ainsi que des codes numériques flexibles et fiables afin de décrire les architectures complexes associées à nos mesures expérimentales actuelles. Parmi les différents objectifs théoriques liés à notre activité, nous pouvons mentionner la théorie générale des fonctions de Green Dyadiques pour les calculs électromagnétiques (cartographie de champs, LDOS photonique et plasmonique, dissipation de chaleur et accroissement de température, spectres champ lointain et de EELS) ainsi que des outils numériques permettant de décrire les interactions plasmon-molécules dans le champ proche (taux de désexcitation, signaux d’émission d’une molécule, équations de Maxwell-Bloch).

Contact : Christian Girard

L’étude des aspects fondamentaux et l’optimisation des fonctionnalités de systèmes nano-optiques complexes, auto-assemblés sur surface, ou façonnés par lithographie électronique (superstructures plasmoniques colloïdales, composants hybrides dielectriques-plasmoniques, …) nécessite un support important à la fois pour la modélisation théorique et pour les simulations numériques. Par exemple, comprendre comment les plasmons de surface se couplent à des émetteurs quantiques placés à proximité (molécules, centres NV dans le diamant, quantum dots, …) est une des questions majeures associées à nos développements expérimentaux actuels. Parmi les défis théoriques reliés à ces études expérimentales, nous pouvons mentionner (i) l’étude des propriétés des signaux d’émission et de la statistique des photons émis d’un système quantique couplé à une structure nano-optique complexe, y compris métalliques, ou à base de matériaux hybrides, (ii) et (iii) le développement d’outils numériques spécifiques implantés sur une machine de calcul parallèle intensif (EOS), permettant par exemple de simuler la luminescence à deux photons (TPL) et la densité d’états locale plasmonique (SP-LDOS), (iv) l’étude de la manipulation sur surface par l’intermédiaire de forces optiques et électriques, et (v) l’évaluation précise de la dissipation dans des structures plasmoniques.

Ces différents sujets sont actuellement étudiés grâce à un ensemble de codes FORTRAN développés en interne, qui sont tous dédiés à l’étude des propriétés optiques sub-longueur d’onde de systèmes complexes. A ce jour, ces programmes dédiés ont été développés et améliorés au sein du groupe NeO. Ils sont basés généralement sur la théorie générale des fonctions de Green dyadiques 3D (GDF). Lorsque cela s’avère nécessaire, ces moyens sont complétés par d’autres outils théoriques pour la description de phénomènes tels que les forces optiques et électriques, ou l’énergie de van der Waals.

Plus récemment, pyGDM a été développé au CEMES. Il s’agit d’une boîte à outils python (open source) pour la réalisation de simulations électro-dynamique en nano-optique. pyGDM est aussi basé sur la méthode de la fonction de Green Dyadique (GDM).

• Emission et statistique de photons

 Récemment, nous avons développé un cadre théorique concis qui peut reproduire et analyser des statistiques d’émission de photons telles que celles expérimentalement acquises à partir d’architectures hybrides composées d’un émetteur quantique couplé à une nanostructures métallique ou diélectrique complexe. En résolvant directement les équations de Bloch optiques, tous les régimes d’illumination sont accessibles au sein du même cadre théorique. Les équations obtenues fournissent une information sur les mécanismes responsables de la modification du dégroupement de photons (contrôle spatial ou en polarisation, effet de résonances plasmon, …). Notre méthode rend possible la comparaison directe avec les travaux expérimentaux actuels sur des structures simples (cf Fig. 1), mais pourra être généralisée pour traiter des systèmes plus complexes positionnés à la surface d’un échantillon. Ce formalisme est actuellement appliqué à l’étude du transfert d’énergie et de l’efficacité de couplage entre des structures plasmoniques et des systèmes quantiques à deux niveaux.

Figure 1 : Exemple de signal de dégroupement de photons calculé à proximité d’une particule d’or unique [1].

[1] Marty el al., Phys. Rev. B 82, 081403,R (2010).

• Réponse optique en champ proche : images et spectres locaux

Pour des objets métalliques, la longueur d’onde d’excitation est un paramètre important. L’excitation de plasmons de surface provoque une exaltation caractéristique du champ qui augmente l’intensité de l’onde électromagnétique incidente. Différentes quantités physiques peuvent être utilisées pour caractériser les propriétés spectroscopiques de systèmes plasmoniques auto-assemblés : les spectres optiques en champ proche qui vont donner la variation de l’intensité optique en champ proche à un endroit donné R au-dessus de l’échantillon en fonction de la longueur d’onde incidente, et le spectre d’extinction en champ lointain. Ces deux quantités peuvent être déduites à partir du champ électrique optique induit dans le métal. Par exemple, dans le cadre de la méthode de la fonction de Green dyadique (GDF), la distribution locale du champ induite par une illumination extérieure est étendue sur un maillage 3D construit à l’intérieur du volume de la particule. Ceci a été utilisé pour simuler des spectres et des images optiques dans le champ proche à proximité immédiate d’assemblages complexes de colloïdes.

Figure 2 : Exemple de simulation GDF à proximité d’un ensemble de cubes d’or déposés sur une surface en verre : A gauche : vue du dessus de la structure. A droite : carte de champ proche optique [2].

 [2] C. Girard et al., New J. Phys. 10, 105016 (2008).

• Densité d’états locale (LDOS) photonique et plasmonique

Lorsque la LDOS est calculée à la surface d’un métal plasmonique, elle est appelée SP-LDOS pour Surface Plasmon LDOS. Dans les faits, le contrôle des modes propres plasmoniques supportés par des microcristaux d’or ultrafins par exemple (gaz d’électron quasi-2D), nécessite un calcul préliminaire de la SP-LDOS. Cette première analyse numérique permet de sélectionner les régions où le système se couplera efficacement avec un faisceau de lumière incident. Pour calculer la distribution spatiale de la SP-LDOS, qui est une fonction scalaire, engendrée par la structure elle-même, la difficulté principale repose sur le calcul du tenseur dyadique de Green (GDT) juste en dessous de la surface du métal. En relation avec l’étude de nanostructures auto-assemblées déposées sur une surface, nos précédents développements de méthodes de calcul dans l’espace réel fournissent un outil pratique pour dériver le GDT dans la gamme spectrale correspondant au visible et à l’IR. Ce tenseur peut être calculé en résolvant numériquement l’équation de Dyson avec une résolution numérique suffisante. Pour obtenir les simulations associées à des arrangements plasmoniques complexes, nous utilisons une discrétisation en volume des objets basée sur un maillage soit cubique (cartésien) soit hexagonal compact.

Figure 3 : Exemple d’une carte de SP-LDOS calculée à l’intérieur d’une cavité 2D hexagonale en or (L=700nm). Plus de détails sont disponibles dans le « supplementary information » de la référence [3].

[3] S. Viarbitskaya et al., Nat. Mater., 12, 426-432 (2013).

• Simulation de l’énergie de couplage et des forces induites en nano-plasmonique

La capacité à former et modifier des connections entre des briques élémentaires de circuits plasmoniques étudiés dans notre groupe nécessite un support théorique adapté. Un effort considérable a été entrepris dans ce sens pour comprendre théoriquement le rôle des forces optiques comme moyen d’assemblage de structures contrôlé. Concernant les mécanismes de manipulation induit par la lumière, les forces et les énergies de liaison peuvent être déduites à partir des champs couplés électrique et magnétique excités optiquement dans le métal des objets en interaction. Ici aussi, nous utilisons de nouveau la méthode GDF pour le calcul du champ électromagnétique. A partir de ces données, nous avons calculé les forces optiques de liaisons entre des objets métalliques en interaction et nous avons étudié comment ces forces peuvent être utilisées pour les déplacer et les mettre en contact. L’influence des paramètres d’illumination (polarisation, longueur d’onde, mise en forme du faisceau, …) étant considérée comme un moyen d’obtenir une reconfiguration dynamique d’un assemblage plasmonique.

Figure 4 : Exemple de calcul d’une carte d’énergie résultant d’un couplage optique entre une microbille de latex et un disque d’or (A) carte en couleur avec une échelle en meV ; (B) représentation en 3D correspondante [4].

[4] M. Righini et al., Nat. Phys. 3, 477-480 (2007).

• Calculer la dissipation et le dépôt de chaleur local

Des études récentes ont démontré qu’il est possible d’utiliser des plasmons de surface pour générer des sources de chaleur dont l’intensité est ajustable par la longueur d’onde de l’excitation. Nous avons conçu de nouvelles méthodes analytiques et numériques versatiles pour le calcul à trois dimensions de l’augmentation de température à proximité de structures plasmoniques coplanaires. Le formalisme permet d’atteindre n’importe quelle forme d’illumination et il est aussi adapté à la description d’effets de polarisation en champ proche. Une large variété de géométries peut être étudiée avec cette technique. Dans l’étude présenté Fig. 5, nous nous sommes focalisés sur un réseau périodique de particules métalliques allongées qui supportent un mode plasmon transverse et un longitudinal. Dans cette configuration, nous avons montré un contrôle simple de l’élévation de température dans le milieu environnant lorsque la polarisation linéaire incidente est tournée. Une description réaliste de ces effets de dissipation localisés est directement reliée à une description correcte de la partie imaginaire de la fonction réponse dynamique des nanostructures ainsi que la distribution de l’intensité du champ électrique à l’intérieur du métal. La puissance totale dissipée par la structure est ensuite calculée après intégration de cette quantité sur l’ensemble du volume de métal occupé par les parties métalliques du dispositif.

Figure 5 :  Simulation de trois cartes de température calculées au-dessus d’un ensemble de neuf nano-bâtonnet cylindriques en or (25 x 80 nm) illumines à incidence normale par une onde plane polarisée linéairement. La longueur d’onde est fixée à 680 nm, proche du centre de la bande plasmon longitudinale. (A) géométrie de l’échantillon ; (B) à (D) évolution de la carte de température en fonction de la polarisation incidente.

[5] C. Girard et al., J. Opt. 20, 075004 (2018).

Les pertes Ohmiques dans les structures plasmoniques ont toujours été considérées comme un défaut majeur pour la propagation longue distance et la mise au point de dispositifs efficaces. Cependant, la possibilité de contrôler l’augmentation de température grâce aux paramètres d’illumination (longueur d’onde, polarisation) a déclenché un fort intérêt dans la communauté de la NanoOptique [1]. Cette conversion d’énergie photo-thermique trouve son origine dans la forte exaltation locale du champ associée à la résonance plasmon ainsi qu’à l’absorption amplifiée dans le métal. Les nanostructures métalliques peuvent donc accroitre la température dans leur environnement et peuvent être utilisées comme nanosources de chaleur intégrées [2]. Ce domaine de recherche, la thermoplasmonique, pourrait potentiellement mener à des percer dans différents domaines comme la nanomédecine, la nanochimie, ou la manipulation et le piégeage optique assistés thermiquement.

Contact : Christian Girard

Figure 1 : Spectres calculés de chaleur générée dans des structures métalliques déposées sur un substrat. Le milieu environnant est de l’eau. Adapté de la référence [1]. © CEMES-CNRS

• Metasurfaces et génération de chaleur

Très récemment, la plasmonique a engendré un nouveau domaine d’applications dans lequel les effets dissipatifs dans le métal sont utilisés de façon avantageuse. Hormis leurs propriétés bien connues d’exaltation et de confinement du champ électromagnétique dans le champ proche, les nanostructures et les particules métalliques ont révélé un grand potentiel comme sources locales de chaleur. Cette activité est développée au niveau expérimental (ce qui inclut les mesures locales de température par spectroscopie locale) et au niveau théorique avec une approche complètement auto-consistante basée sur le formalisme des Fonctions de Green Dyadiques (GDF) qui permet de calculer l’intensité du champ local et la distribution de température à l’intérieur et autour un réseau de particule (tout en incluant le couplage au substrat).

Figure 2 : (a) Exemple de métasurface thermoplasmonique capable de générer de forts contrastes de températures. (b-e)Evolution des cartes de température en fonction de la polarisation incidente (double flèche) [4]. © CEMES-CNRS

Cette approche a été appliquée pour définir et optimiser de nouveaux concepts de métasurfaces thermoplasmoniques composées de nano-rectangles en or ou avec un mélange de bâtonnets en or et en silicium [3,4]. A chaque étape de l’optimisation, la distribution de chaleur a été calculée, et les arrangements restituant un comportement le plus proche des objectifs fixés ont été sélectionnés. Cette approche itérative a par exemple convergé vers des géométries de méta–surfaces optimisées pour le transport d’énergie et capables d’engendrer des accroissements de température déportés, contrôlable à distance grâce à la polarisation et à la longueur d’onde du laser, répondant ainsi aux objectifs fixés au départ.

Figure 3 : (a) Schéma illustrant l’optimisation évolutionniste. (b) En haut : illustration du modèle d’optimisation. Une chaîne optimisée de 20 bâtonnets sur un substrat de verre est recherchée afin d’obtenir l’élévation de température maximale à l’une des extrémités. En bas : carte de température le long de la chaîne optimisée, avec des vues élargies au point de lancement et d’arrivée. Les températures sont calculées à une hauteur de 300 nm (barre d’échelle : 500 nm) [4]. © CEMES-CNRS

[1] G. Baffou et al., App. Phys. Lett. 94, 153109 (2009).

[2] S. Viarbitskaya et al., ACS Photon. 2, 744 (2015).

[3] P. R. Wiecha et al., Phys. Rev. B 96 (3), 035440 (2017).

[4] C. Girard et al., J. Opt. 20, 075004 (2018).

Les semi-conducteurs dopés représentent un nouveau type de matériau plasmonique présentant des résonnances optiques dans l’infrarouge. Contrairement aux métaux nobles, la densité de porteurs dans les semi-conducteurs, et par conséquent la fréquence de résonance plasmon, est ajustable. De plus, du fait des caractéristiques de leur structure de bande, de nouvelles propriétés plasmoniques sont attendues, comme l’apparition de plasmons non réciproques dans les dichalcogénures de métaux de transition ou la levée de dégénérescence des modes plasmoniques liée au électrons transverses et longitudinaux dans le silicium.

Arnaud Arbouet, Caroline Bonafos, Jesse Groenen, Vincent Paillard et Jean-Marie Poumirol

Contact : Jean-Marie Poumirol

• Plasmonique à base de nanostructures de Si dopé

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. Nous avons utilisé deux types de méthodes pour fabriquer ces nanostructures.

La première est une approche descendante (top down) 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 (Fig. 1 (a)). Cette étude a été menée en collaboration avec le LAAS-CNRS et le CEA-LETI, dans le cadre de l’ANR DONNA (Doping at the nanoscale).

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 (Fig. 1(b)). 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.

Figure 1 :  (a) Image de MET en vue sur la tranche du réseau de nanodisques de Si dopé ; (b) Mesure FTIR (réflectivité) des résonances plasmons de surface localisées. En insert, évolution de la fréquence de résonance plasmon en fonction de la densité de porteurs.

La seconde est une approche montante (bottom-up) qui consiste à fabriquer des nanocristaux de Si (SiNCs) par synthèse ionique (implantation ionique à basse énergie) dans une matrice de silice et à les doper par co-implantation de phosphore. Dans ces cas, on forme de petits nanocristaux, dont le rayon varie de 2,6 à 5,5 nm, organisés de manière aléatoire au sein de la matrice de silice (Fig. 2(a)).

En utilisant la résonance plasmon de surface localisée comme sonde optique, nous avons mis en évidence la présence de porteurs libres dans ces petits SiNCs dopés. L’étude par spectroscopie infrarouge couplée à des simulations numériques nous permet de déterminer le nombre d’atomes de phosphore électriquement actifs avec une précision de quelques atomes. Nous avons démontré que les résonances plasmon peuvent être supportées avec seulement une dizaine d’électrons libres par nanocristal (Fig. 2(b)) confirmant les prédictions théoriques et sondant la limite de la nature collective des plasmons. Nous avons démontré un couplage fort (hybridation) entre la résonance plasmon de surface localisée dans les nanocristaux dopés et les phonons de la matrice de silice. Enfin, une analyse minutieuse de la dépendance de la mobilité électronique en fonction de la densité de porteurs dans ce régime de petite taille nous a permis de détecter l’apparition d’un nouveau processus dans la gamme des fortes concentrations de dopant, attribué à la précipitation de phosphore à l’intérieur des SiNCs.

Ces travaux sont effectués dans le cadre de l’ANR DONNA (Doping at the nanoscale, 2018-2022).

Figure 2 : (a) Image filtrée en énergie en vue sur la tranche des SiNCs dopés au phosphore (contraste blanc) enrobés dans la matrice de silice ; en insert, image en microscopie haute résolution d’un SiNC dopé individuel. (b) Évolution du nombre d’électrons/NC en fonction de la densité d’électrons.

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 infrarouges miniaturisées.

• Plasmonique non réciproque

Le projet Ti-P propose d’étudier la dispersion non-réciproque des plasmons liée aux propriétés topologiques de la structure de bande électronique des matériaux de Dirac et en particulier de monocouches de dichalcogénures de métaux de transition. La courbure de Berry est une propriété topologique de la structure de bande électronique présente dans les matériaux de Dirac. Elle donne naissance à une vélocité transverse qui affecte la direction de propagation des porteurs de charges, causant une accumulation de charges le long des bords du système.  Cette propriété unique a permis la première observation d’un effet Hall de vallée dans les dichalcogénures de métaux de transition dopés optiquement. Ti-P repose sur l’hypothèse scientifique que ces phénomènes observés par des mesures de transports présenteront un équivalent optique : des modes plasmoniques présentant une dispersion non réciproque, c’est-à-dire une dispersion différente pour les valeurs positives et négatives de quantité de mouvement. Le projet vise à fournir une observation expérimentale d’une telle dispersion non réciproque des plasmons polaritons de surfaces au travers de mesures de spectroscopie infrarouge en champs lointain. Ti-P propose de concevoir des cristaux plasmoniques spécifiquement conçus pour supporter des modes plasmoniques non-réciproques, par le biais d’un dopage asymétrique des vallées généré en utilisant une pompe optique polarisée circulairement (dans le visible) et via la mesure de spectroscopie infra-rouge pour caractériser les modifications de l’état de polarisation et de la lumière interagissant avec les plasmons. Avec l’observation de ces modes, nous visons principalement une meilleure compréhension de l’impact de la topologie sur les excitations collectives des porteurs de charge mais aussi à faire les premiers pas vers le développement d’une technologie « valléetronique » de contrôle de la lumière.

Contact SINanO : Roland Coratger

Contact NeO : Renaud Péchou

Au CEMES, l’étude expérimentale du phénomène d’émission de lumière induite dans un STM (en anglais STM-induced Light Emission, STM-LE) est possible à l’ambiante dans la salle blanche du laboratoire. Un microscope à champ proche hybride (AFM-STM-PSTM, cf. figure ci-dessous) est équipé de fibres optiques à grande ouverture numérique constituant un système original de collection des photons émis. Ces fibres optiques sont le premier maillon de deux chaînes de mesures distinctes. La première, constituée d’un photomultiplicateur refroidi et fonctionnant en mode comptage de photons dans la gamme 185-900 nm, permet de dresser des cartographies photoniques (nombre de photons émis en chaque point de la zone explorée sur la surface de l’échantillon), et la seconde consiste en un spectromètre équipé d’une matrice CCD refroidie à l’azote liquide qui permet d’accéder aux caractéristiques spectrales du rayonnement émis dans la gamme 300-1050 nm. Ces données expérimentales sont corrélées aux images STM acquises simultanément.

Les mécanismes physiques élémentaires responsables de cette émission dépendent du type d’échantillon étudié : désexcitation radiative de modes plasmons localisés excités par les électrons tunnel inélastiques dans le cas de jonctions métal-métal, et recombinaisons radiatives électron-trou dans le cas de jonctions métal-semiconducteur.

L’émission de lumière stimulée par STM est complémentaire d’autres techniques d’analyse en champ proche plus classiques développées au laboratoire, telles que le STM ou le champ proche optique. Elle permet d’accéder à l’étude de propriétés physiques fondamentales (la densité d’états plasmonique par exemple) sur des nanostructures ou des assemblages de nanostructures métalliques (bâtonnets, prismes, guides d’onde sub-longueur d’onde). Elle peut également être pertinente pour étudier les effets du couplage entre ces nanostructures et l’apparition des modes hybrides qui en découle. Elle est aussi utilisée pour étudier la luminescence de semiconducteurs bidimensionnels (tels que les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) par exemple) excitée localement par les électrons tunnel.

Matériel utilisé : STM Dimension 3000, PM Hamamatsu refroidi, Spectroscope Princeton à matrice CCD refroidie LN₂.

Collaborations : LAAS-CNRS (Pr. A. Mlayah), Rice University (Pr. J. Lou), University of Texas at San Antonio (Dr. N. Large), partie mécanique du Pole Ingénierie du CEMES.

[1] R. Péchou et al., Appl. Phys. Lett. 72, 671 (1998).

[2] A. Carladous et al., Phys. Rev. B 66, 045401 (2002).

[3] C. Maurel et al., Surf. Sci. 600, 442 (2006).

[4] R. Péchou et al., ACS Photonics, 7, 3061 (2020).

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