Propriétés optiques de matériaux nanostructurés Martine Mihailovic Groupe: Nanostructures et Nanophotonique (N2) Equipes: Optoélectronique quantique et nanophotonique : théorie Spectroscopie optique des solides : expérimentation Electromagnétisme et nanomatériaux
Pourquoi étudier les propriétés optiques des objets nanostructurés? Informations pour les équipes de croissance Cartographie des échantillons Miniaturisation des dispositifs de l optoélectronique Création de nouveaux matériaux pour de nouvelles fonctions Propriétés optiques Pureté État de contrainte Adapter les techniques «classiques» à l observation de ces objets Photoluminescence Micro photoluminescence Réflectivité Micro réflectivité
Informations apportées par la photoluminescence - + Position des pics en fonction de l énergie Largeur à mi-hauteur des pics Évolution en fonction de la température Largeur de la bande interdite (état de contrainte) Impuretés présentes «excitons»(= paires électron -trou en interaction )
Informations apportées par la réflectivité ou la transmission Mesure du coefficient de réflexion ou de transmission de la lumière par l échantillon Indices optiques des matériaux Épaisseurs des couches traversées Absorption
Adapter les méthodes classiques à la micro réflectivité et la micro photoluminescence Focaliser la lumière : diminuer la taille de la zone éclairée Diamètre de 200 µm à 2 µm Utilisation d un objectif de microscope Choisir le bon objectif en fonction des longueurs d onde d excitation et d émission Repérer le point de focalisation sur l échantillon Contrôler la puissance lumineuse reçue localement par l échantillon Visite du laboratoire
Micro photoluminescence et micro réflectivité
Exemples Réduire une des dimensions à l échelle nanométrique : miroirs de Bragg et microcavités pour l émission LASER Réduire deux dimensions à l échelle nanométrique : collaboration avec l équipe de croissance cristalline bandes et nanofils de GaN Réduire trois dimensions à l échelle nanométrique: Métamatériaux équipe élena
Réduction d une des dimensions : Empilement de couches d épaisseur nanométrique Comparaison avec un miroir métallique Réalisation des miroirs:
Réduction d une des dimensions : Empilement de couches d épaisseur nanométrique Réalisation des miroirs:
Application : Laser à semi conducteur émettant par la surface pompage Émission par la surface Miroir de Bragg Zone active Puits quantiques Miroir de Bragg substrat Émission par le substrat
Réalisation de microcavités pour l émission LASER Vue de dessus d un échantillon constitué d une microcavité.. Miroir de Bragg SiO2/HfO2 ZnO.. Miroir de Bragg AlN/AlGaN Réalisation des microcavités: Silicium (substrat)
Mise en évidence de l émission laser par micro photoluminescence
Réduire les dimensions dans deux directions: bandes de GaN Modélisation de l échantillon T386C5
Cartographie de l échantillon par micro photoluminescence 5000 Intensité de PL Longueur d'onde (A ) Longueur d'onde (A ) 2500 2000 1500 1000 500 35000 50 30000 40 25000 30 20000 20 15000 10 Position(µm) 5000 (échelle lin.) 10000 10000 Intensité de PL 15000 2500 2000 1500 1000 500 Figure III.2 (a) : caractérisations optiques de structures micrométriques de GaN, Cartographie en micro-pl 0 D X Intensité de PL 10000 XA XB 1000 100 10 1 3400 3450 3500 3550 Energie (mev) Figure III.2 (b) : Spectres de photoluminescence enregistrés pour 2 positions différentes de l échantillon, en bas sur un masque et en haut sur une ouverture.
10 12 14 16 18 20 22 24 26 3540 3520 3500 3480 3460 1,2 8 1,1 6 1,0 4 0,9 2 Réflectivité (echelle lin.) 0,8 0 Position(µm) Longuer d'onde (A ) (echelle lin.) 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,7 Longuer d'onde (A ) Réflectivité Cartographie de l échantillon par micro réflectivité 3540 3520 3500 3480 3460 3440 3440 3420 3420 Reflectivité (unités arb) Figure III.3 (a) : caractérisations optiques de structures micrométriques de GaN, cartographie en microréflectivité XA XB XA 3420 3440 3460 3480 XB 3500 3520 3540 3560 Energie (mev) Figure III.3 (b) : Spectres de réflectivité enregistrés pour 2 positions différentes de l échantillon, en haut sur un masque et en bas sur une ouverture (les spectres ont été décalés verticalement pour une meilleure lecture).
Réduire les dimensions dans deux directions: nanofils de GaN 0 DX 40000 FWHM de 1 mev! T=10 K P=2 mw µpl 30000 20000 XA XB 10000 3440 3460 3480 3500 Energie (mev) 1ère mesure de µpl à 10 K sur un nanofil GaN détaché Diamètre 70 à 250 nanomètres Longueur quelques microns
Réduire les trois dimensions à l échelle nanométrique Créer des métamatériaux et des cristaux photoniques Pour l instant échelle des micro ondes
Simulations dans le domaine de l optique équipe éléna Imaginer des lentilles parfaites et la cape d invisibilité
Merci de votre attention Joel.Leymarie@univ-bpclermont.fr Pierre.Disseix@univ-bpclermont.fr Francois.Reveret@univ-bpclermont.fr Martine.Mihailovic@univ-bpclermont.fr Francois.Medard@univ-bpclermont.fr