Nanomatériaux pour l optique

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David Bois
il y a 7 ans
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1 Nanomatériaux pour l optique linéaire Mesurexpo, 28 septembre 2005 Herve.arribart@saint-gobain.com

2 Trois moteurs pour le développement des nanomatériaux 1. Parce que l intégration est une des dynamiques propres à la science des matériaux 2. Parce que la physique fournit un cadre complet pour la compréhension des propriétés des solides et indique que des propriétés nouvelles se manifestent aux petites échelles 3. Pour répondre aux besoins des nanotechnologies

3 Matériaux optiques nanostructurés Définition: solide nanostructuré = solide nonhomogène à des échelles comprises entre 1 nanomètre et quelques centaines de nanomètres

4 propriétés longueurs caractéristiques optiques électriques longueur d onde épaisseur de peau diamètre d'exciton libre parcours moyen d électrons magnétiques taille des domaines ferromagnétiques mécaniques aucune (multi-échelle) réactivité chimique aucune (plus c'est petit, mieux c'est)

5 propriétés longueurs caractéristiques optiques électriques longueur d onde épaisseur de peau diamètre d'exciton libre parcours moyen d électrons magnétiques taille des domaines ferromagnétiques mécaniques aucune (multi-échelle) réactivité chimique aucune (plus c'est petit, mieux c'est)

6 Mécanique 1/4 500 µm 50 µm 5 µm 500 nm Un matériau composite naturel : multi-échelle

7 Mécanique 2/4 100 µm Un matériau composite industriel : une seule échelle

8 Mécanique 3/4 100 nm Polymère renforcé par des nanotubes de carbone

9 Mécanique 4/4 100 nm Nano-composite lamellaire

10 Un matériau hétérogène Optique 1/9 n 2 +ik 2 n 1 +ik 1 dont les dimensions qui caractérisent l hétérogénéité sont plus petites que la longueur d onde de la lumière, se comporte comme un matériau homogène d indice optique n 3 +ik 3. C est la théorie du milieu effectif

11 Optique 2/9 n=1,25 n=1,5 Vitrage anti-reflet

12 Optique 3/9 n = 1 Cristaux photoniques : couleurs sans pigment Dans l air Dans un liquide d indice n n = 1.4 n = 1.5

13 Optique 4/9 Écailles d aile de papillon 50 µm Détails 200 nm 2 µm

14 Optique 5/9 Cristaux photoniques artificiels Cristaux colloïdaux de microsphères de latex revêtues de ZnS, diamètre 500 nm

15 Optique 6/9 Sur un métal, la réflexion de la lumière se joue sur l épaisseur de peau. Si l épaisseur du matériau est inférieure à celle-ci, il laisse passer la lumière. Couche d argent (<20nm) verre Vitrage anti-solaire

16 Optique 7/9 En fait, la couche d argent est séparée en deux : Fabry-Pérot Diélectrique Argent Diélectrique Argent Diélectrique Verre pour augmenter la transmission dans le visible et augmenter la réflectivité dans l infrarouge

17 Reflectivity (%) Visible Thickness 50 nm Thickness 1 µm Wavelength (nm) Reflectivity (%) Visible 1µm 20 nm Wavelength (nm)

18 Reflectivity (%) Visible TL = 79 % RL = 6 % Glass/Ag (20 nm) TL = 28 % RL = 65% Glass/TiO2 (30 nm)/ag (20 nm)/tio2 (30 nm) Wavelength (nm)

19 Optique 8/9 Dans certains semi-conducteurs, l absorption optique est due à l exciton (paire électron-trou liée). Mais, si le rayon de Bohr effectif de l exciton est plus grand que la taille de la particule, l exciton est confiné (confinement quantique) dans la particule, et son énergie s en trouve augmentée.

20 Optique 9/9 Taille de particule décroissante Séléniure de cadmium (CdSe)

21 Ingénierie des matériaux pour la nano-optique. La plasmonique.

22 Fréquence plasma d un métal ω p = 4πNe m 2 N = densité d électrons de conduction m = masse effective des électrons pour ω < ω p, le métal est réfléchissant pour ω > ω p, le metal est transparent Pour Cu, Ag, Au, la fréquence plasma est dans le visible.

23 Plasmons de surface (plus proprement : surface plasmon polariton) Si le milieu extérieur est le vide : ω = ω p 2 ω = ω p 3

24 Autre langage : L anomalie diélectrique Le facteur d absorption d un milieu formé d une matrice diélectrique d indice n et de petites inclusions métalliques de fonction diélectrique ε p (ω) = ε' p (ω) + i ε" p (ω) est donné par : Q abs ( ω) = 24n 2 ε" 2 ( ε ' ( ω) + 2n ) p p ( ω) 2 + ε" 2 p ( ω) Résonance à la fréquence ω F telle que ε p (ω F ) = -2n 2 ω F est voisin de ω p.

25 ω p ω F dans le vide argent ε" ε' longueur d'onde (nm )

26 Les premières applications technologiques 5 nm Cu Verre rubis

27 Effets de taille et de forme

28 Les chimistes à l œuvre M.P. Pileni et al., 2001

29 Les chimistes à l œuvre N. Halas (2004)

30 Ingénierie des matériaux pour la nano-optique. 1. Transmission exaltée de la lumière à travers des nanotrous T. Ebbessen et al., 1998 Applications : photolithographie, stockage optique,

31 Ingénierie des matériaux pour la nano-optique. 2. Confinement de la lumière et guides d ondes E. Hao and G. Schatz (2004)

32 Ingénierie des matériaux pour la nano-optique. 2. Confinement de la lumière et guides d ondes J. Penninkhof et al., 2003 S. Maier et al., 2003 Applications : lab-on-chip, nanoantenne, nanospectroscopie,

33 Roadmap des nanomatériaux plasmoniques Surface Plasmon Polaritons (SPP) Confinement sub-longueur d onde de la lumière Vaincre la limite de diffraction Exhaltation des champs électromagnétiques effets non-linéaires Genération, focalisation et guidage à l échelle nano Nanotrous comme sources ponctuelles Réseaux focalisant superposition cohérente sources sub-longueur d onde de haute intensité Guides d onde par des stripes d argent de 250 nm Prochaines étapes : Matériaux fonctionnels et circuits optiques Intégration d éléments actifs matériaux non-linéaires, quantum dots, cavités résonantes capteurs biologiques Nouveaux composites sub-longueur d onde Modes résonants, faible pertes, meta matériaux

34 Merci pour votre attention

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