De la recherche fondamentale au partenariat industriel

Plasmonique

Développements théoriques et expérimentaux
de structures coaxiales sub-longueur d’onde

Membres de l’équipe impliqués :
J. Salvi, Y. Poujet, F. Baida, D. Van Labeke

Partenaires suisses du Laboratoire Européen Associé (LEA) :
A. Perentes, C. Santschi, P. Hoffmann
IOA, EPFL, CH-1015 Lausanne, Suisse

La transmission exaltée de lumière à travers des films métalliques intéressse de nombreuses équipes de recherche à travers le monde. Beaucoup de configurations ont été théoriquement proposées et expérimentalement établies afin de démontrer ce phénomène qui est d’un grand intérêt pour beaucoup d'applications aussi diverses que la nanooptique, la nanophotolithographie, la fluorescence et les capteurs chimiques. Selon nous, les matrices d'ouverture annulaires sont les structures les plus intéressantes parce qu'elles peuvent considérablement augmenter la transmission de lumière comparées aux trous cylindrique ou rectangulaires.
Ce projet consiste donc à concevoir, réaliser et tester de nouvelles structures dites « tamis à photons » présentant de nouvelles propriétés : une super-transmission (90%) en optique linéaire, des propriétés spectroscopiques spécifiques et des propriétés de polarisation.

Les nanostructures ont été réalisées à l’EPFL et à la centrale de technologie MIMENTO de FEMTO-ST : il s’agit de matrices de coaxes sub-longueur d’onde gravées dans des films d’or ou d’argent (voir figure 1). Elles sont étudiées en champ lointain et en champ proche.

coaxes1

Figure 1 : Image MEB d'une matrice de coaxes sur argent.

Ces matrices ont d’abord été observées en champ lointain à l’aide d’un microscope classique en transmission : les échantillons sont éclairés par une source blanche et la figure 2 met nettement en évidence les propriétes de filtrage des matrices, propriétes qui dépendent de la période et des rayons intérieurs et extérieurs des coaxes.

coaxes2

Figure 2 : Image en microscopie classique et en couleurs réelles de la lumière transmise à travers les coaxes (sur argent). Les périodes des coaxes sont (1) 350 nm, (2) et (3) 500 nm; les diamètres intérieur/ extérieur sont(1) et (3) 100/200 nm.

L’étude spectrale a pu ainsi mettre en évidence une trasmission optique extraordinaire dans le visible proche de 90 % (voir figure 3). Ces résultats expérimentaux sont en parfait accord avec la théorie (3D-FDTD).

coaxes3

Figure 3 : Spectres de transmission théorique (rouge) et expérimentales (verte et bleue) à travers deux matrices de coaxes sublongueur d’onde dans un film d’argent). Les deux courbes expérimentales sont obtenues pour deux matrices identiques mais

Les mêmes matrices ont ensuite été observées en champ proche, en transmission (STOM) et en réflexion (RSTOM). Les images champ proches obtenues en réflexion concordent avec les prédictions théoriques (voir figure 4) : on retrouve une structure du champs en « grains de café ». Les premières études et les premières images optique obtenues dans la configuration transmission (STOM) ont fait l’objet d’une conférence (NFO9) ; un article est également soumis à « Journal of Microscopy ». Ces résultats concernent l’influence sur la réponse des nanostructures de la longueur d’onde et de la polarisation du faisceau incident : ces travaux sont en cours de développement.

coaxes4

Figure 4 : (a) image champ proche optique (RSTOM) d’une matrices de coaxes sur or. (b) zoom sur la partie de l’image (a) correspondant au carré blanc ; les cercles blancs montrent la position des coaxes. (c) image théorique obtenue par FDTD.

Ces structures offrent de nombreuses applications (filtres, modulateurs, SERS…) : en utilisant un matériau électro-optique (niobate de lithium) il devient possible de piloter le pic de transmission et donc d’imaginer des composants accordables

Articles en relation avec cette thématique :

1)J. Salvi, M. Roussey, F.I. Baida, M.P. Bernal, A. Mussot, T. Sylvestre, H. Maillotte, D. Van Labeke, A. Perentes, I. Utke, M. Leutenegger, C. Sand, Annular Aperture Arrays (AAA) : first study in the visible region of the electromagnetic spectrum, Optics Letters 30 (13) 1611-1613 (2005).

2)A. Perentes, I. Utke, B. Dwir, M. Leutenegger, T. Lasser, P. Hoffmann, F. Baida, M.-P. Bernal, M. Roussey, J. Salvi et D. Van Labeke, Fabrication of periodic sub-wavelength nano-structures in a 150nm thick gold layer on glass slides for optical studies, Nanotechnology, 16 S273-S277 (2005).

3)Y. Poujet, M. Roussey, J. Salvi, F. Baida, D. Van Labeke, A. Perentes, C. Santschi, and P. Hoffmann, Super-transmission of light through subwavelength annular aperture arrays in metallic films: Spectral analysis and near-field optical images in the visible range, Photonics and Nanostructures Fundamentals and Applications 4, 47-53 (2006).

imprimer Haut de page