Hervé Arribart

Nanomatériaux
pour l’optique
linéaire
Mesurexpo, 28 septembre 2005
[email protected]
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
Matériaux optiques
nanostructurés
Définition:
solide nanostructuré = solide nonhomogène à des échelles comprises
entre 1 nanomètre et quelques
centaines de nanomètres
propriétés
longueurs caractéristiques
optiques
• longueur d’onde
• épaisseur de peau
• diamètre d'exciton
électriques
• libre parcours moyen d’électrons
magnétiques
• taille des domaines ferromagnétiques
mécaniques
aucune (multi-échelle)
réactivité chimique aucune (plus c'est petit, mieux c'est)
propriétés
longueurs caractéristiques
optiques
• longueur d’onde
• épaisseur de peau
• diamètre d'exciton
électriques
• libre parcours moyen d’électrons
magnétiques
• taille des domaines ferromagnétiques
mécaniques
aucune (multi-échelle)
réactivité chimique aucune (plus c'est petit, mieux c'est)
Mécanique 1/4
500
500 µµm
m
55 µµm
m
50
50 µµm
m
500
500 nm
nm
Un matériau composite naturel : multi-échelle
Mécanique 2/4
100 µm
Un matériau composite industriel : une seule échelle
Mécanique 3/4
100 nm
Polymère renforcé par des nanotubes
de carbone
Mécanique 4/4
100 nm
Nano-composite lamellaire
Optique 1/9
Un matériau hétérogène
n2+ik2
n1+ik1
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
n3+ik3.
C’est la théorie du milieu effectif
Optique 2/9
n=1,25
n=1,5
Vitrage anti-reflet
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
Optique 4/9
Écailles d’aile
de papillon
50 µm
Détails
2 µm
200 nm
Optique 5/9
Cristaux photoniques
artificiels
Cristaux colloïdaux de microsphères de latex revêtues de ZnS, diamètre 500 nm
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
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
100
90
90
80
80
70
Thickness 50 nm
Thickness 1 µm
60
50
40
30
20
10
700
70
50
40
30
10
1100
1500
Wavelength (nm)
1900
2300
1µm
20 nm
60
20
Visible
0
300
Reflectivity (%)
Reflectivity (%)
100
0
300
Visible
700
1100
1500
Wavelength (nm)
1900
2300
100
90
Visible
TL = 28 %
RL = 65%
Reflectivity (%)
80
70
TL = 79 %
RL = 6 %
60
50
40
30
Glass/Ag (20 nm)
20
Glass/TiO2 (30 nm)/Ag (20 nm)/TiO2 (30 nm)
10
0
300
800
1300
1800
Wavelength (nm)
2300
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.
Optique 9/9
Taille de particule
décroissante
Séléniure de cadmium (CdSe)
Ingénierie des matériaux pour
la nano-optique.
La plasmonique.
Fréquence plasma d’un métal
ωp =
4πNe 2
m
N = densité d’électrons de conduction
m = masse effective des électrons
pour ω < ωp, le métal est réfléchissant
pour ω > ωp, le metal est transparent
Pour Cu, Ag, Au, la fréquence plasma est dans le visible.
Plasmons de surface
(plus proprement : surface plasmon polariton)
Si le milieu extérieur
est le vide :
ω = ωp
2
ω = ωp
3
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
εp(ω) = ε'p(ω) + i ε"p(ω)
est donné par :
Qabs (ω ) = 24n 2
(ε '
ε " p (ω )
)
2
2
(
ω
)
+
2
n
+ ε " p (ω )
p
Résonance à la fréquence ωF telle que ε’p(ωF) = -2n2
ωF est voisin de ωp.
2
ωp
ωF dans le vide
20
15
argent
10
ε"
5
0
-5
ε'
-10
-15
-20
-25
-30
0
100
200
300
400
500
600
longueur d'onde (nm )
700
800
900 1000
Les premières applications technologiques
Cu
5 nm
Verre ‘rubis’
Effets de taille et de forme
Les chimistes à l’œuvre
M.P. Pileni et al., 2001
Les chimistes à l’œuvre
N. Halas (2004)
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, …
Ingénierie des matériaux pour la nano-optique.
2. Confinement de la lumière et guides d’ondes
E. Hao and G. Schatz (2004)
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, …
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
Merci pour votre attention