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