Institut des
NanoSciences de Paris
insp
insp
3.jpg

Des opales métallisées pour concentrer l’énergie lumineuse

Les modes « surface-plasmon polaritons » (SPP) d’une surface métallique, sont des modes d’ondulation couplés (champ éléctromagnétique et électrons du métal), concentrés à très grande proximité de la surface (épaisseur de l’ordre de 200 nm dans l’air et de 30 nm dans le métal).

En surface d’un métal, l’absorption ou l’émission lumineuse est donc favorisée par la présence de ces modes de champ très intense. Mais pour être couplée à la lumière, la surface métallique doit présenter un relief périodique à l’échelle de quelques centaines de nanomètres. Pour des applications telles que, des cellules solaires ou diodes électroluminescentes, il faut être en mesure de fabriquer des échantillons métalliques nanostructurés de dimensions macroscopiques, avec un couplage à la lumière sur une large bande spectrale.

Différentes voies ont été explorées pour réaliser cette structuration : lithographie électronique, « nano imprint », holographie…

Dans une publication récente*, l’équipe « Nanophotonique et optique quantique », de l’Institut des nanosciences de Paris (INSP), propose une autre voie qui consiste à réaliser une opale par dépôt auto-organisé de billes de silice de 300 nm, puis à recouvrir celle-ci, d’une couche d’or (fig.1a).

(a) schéma des échantillons réalisés : une opale (empilement auto-organisé de billes de silice de 390 nm) recouverte par une couche d'or (épaisseur de 150 à 500 nm). (b) Image AFM de la surface d'un échantillon (épaisseur d'or : 500 nm). {JPEG} cliquer pour agrandir

Figure 1 : (a) schéma des échantillons réalisés : une opale (empilement auto-organisé de billes de silice de 390 nm) recouverte par une couche d’or (épaisseur de 150 à 500 nm). (b) Image AFM de la surface d’un échantillon (épaisseur d’or : 500 nm).

 

L’opale, dont la synthèse est étudiée depuis une quinzaine d’années et de mieux en mieux maîtrisée, sert donc de support, pour imposer un relief nanométrique à la surface métallique (image fig.1 réalisée par AFM). Les échantillons obtenus sont de dimension centimétrique. La profondeur du relief peut varier de 55 à 150 nm en changeant l’épaisseur d’or (voire en ajoutant une sous-couche de lissage de silice.).

De telles structures ont fait l’objet de certaines applications, notamment en SERS (surface enhanced Raman spectroscopy), mais aucune caractérisation optique précise n’avait, jusqu’à ce jour, été réalisée sur ces structures.

Des spectres de réflectrométrie optique sont présentés en polarisation s et p (fig.2).

spectres de réflexion d'un échantillon (épaisseur d'or : 500 nm) à différents angles d'incidence de 20 à 80°, en polarisations s et p. {JPEG} cliquer pour agrandir

Figure 2 : spectres de réflexion d’un échantillon (épaisseur d’or : 500 nm) à différents angles d’incidence de 20 à 80°, en polarisations s et p.

 

Le creux observé dans chaque spectre (situé entre 500 et 700 nm) est attribué à l’absorption de la lumière par création d’un mode plasmonique (respectivement mode plasmonique localisé pour la polarisation s et SPP propagatif pour la polarisation p). La réfléctivité en polarisation p descend presque à 0%, ce qui indique que la quasi-totalité de la lumière incidente est couplée au mode plasmonique SPP. La relation entre l’angle d’incidence et la longueur d’onde couplée au mode SPP est déterminée par la relation de dispersion du mode SPP. Les données expérimentales sont en accord raisonnable avec la relation de dispersion théorique, calculée à l’ordre zéro en la profondeur du relief, tant que celle-ci reste suffisamment faible.

Ces calculs montrent que l’absorption par les modes SPP se fait sur une large bande du spectre visible en raison de la juxtaposition de monodomaines ordonnés, d’orientation aléatoire.

Des travaux sont en cours dans l’équipe pour coupler ces structures plasmoniques à des nanocristaux colloïdaux, afin de mettre en évidence une modification de la dynamique et de la direction d’émission.

 

*Pour en savoir plus :

Hugo Frederich, Fangfang Wen, Julien Laverdant, Laurent Coolen, Catherine Schwob et Agnès Maître, Isotropic broadband absorption by a macroscopic self-organized plasmonic crystal,
Optics Express 19, 24424 (2011).

Collaborations :

Emmanuelle Lacaze (INSP) : caractérisation par microscopie à force atomique
Bruno Gallas (INSP) : caractérisation par ellipsométrie
Stéphane Chenot (INSP) : dépôt des surfaces d’or

Financements :

Ces travaux ont fait l’objet d’un financement du Centre de Compétences C’nano Ile-de-France en 2009 (projet NanoPlasmAA).