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NanoMIR

Composants à nanostructure quantique pour le MIR

Thème de recherche :

Plasmonique

La plasmonique est un domaine de recherche très important de la nanophotonique. A Montpellier, nous avons décidé d’aborder la plasmonique d’une manière originale. Nous proposons de développer une plasmonique sans métal. En effet, les semi-conducteurs fortement dopés (HDSC) peuvent remplacer les métaux actuels tels que l’or ou l’argent. Les HDSC sont particulièrement bien adaptés à la plasmonique Mid-IR et THz. La thématique plasmonique développée dans le groupe NanoMIR est axée sur trois projets principaux : La plasmonique pour la biodétection, les plasmons à fente et les métamatériaux hyperboliques, la plasmonique active.

Pourquoi utiliser des HDSC comme l’InAs dopé au Si plutôt que des métaux nobles comme Au, Ag ? Tout d’abord, les HDSC sont compatibles CMOS, ce qui ouvre la voie à leur intégration dans des dispositifs à faible coût fabriqués en masse. Deuxièmement, les propriétés plasmoniques des nano-antennes basées sur les HDSC subsistent jusqu’à la gamme THz alors que les métaux nobles (Au, Ag) se comportent comme un conducteur parfait sans propriétés plasmoniques. De plus, les HDSC conservent les propriétés plasmoniques en ajustant leur niveau de dopage pour amener leur fréquence plasmonique dans la gamme spectrale adaptée. Enfin, les pertes internes des HDSC, comme celles de l’InAs dopé au Si, sont inférieures de deux ordres de grandeur à celles de l’Au.

La plasmonique pour la biodétection :

Les semi-conducteurs hautement dopés (HDSC) sont les meilleurs candidats pour l’absorption infrarouge renforcée par la surface (SEIRA) et/ou la résonance plasmonique de surface infrarouge (SPR). Récemment, nous avons démontré ces applications potentielles de manière théorique et expérimentale. Nous avons généré une SPR localisée (LSPR) dans l’infrarouge en utilisant des couches d’InAsSb fortement dopées au Si et cultivées en réseau sur des substrats de GaSb. Nous avons conçu et fabriqué un transducteur optique LSPR optimisé à base de HDSC, afin d’atteindre des résonances dans la gamme IR 6-15 µm pour des mesures SEIRA ou SPR. Des molécules de vanilline ont été détectées avec moins de 12 femtogrammes/antenne de molécules et un facteur d’amélioration aussi élevé que 15 000. Ces valeurs représentent l’état de l’art de l’expérience SEIRA basée sur les antennes HDSC (Fig1.1). Beaucoup plus récemment, nous avons développé une nouvelle technique de spectroscopie basée sur les nano-antennes HDSC : la Surface Enhanced Thermal Emission Spectroscopy, SETES. Cette technique consiste à utiliser un métamatériau absorbant parfait (PAM) pour émettre efficacement de la lumière dans l’infrarouge moyen. Le PAM est couplé à des molécules (11-pentafluorophénoxyundecyl-triméthoxysilane, PFTMS) fonctionnalisées à sa surface. La fonctionnalisation de la surface du PAM par les molécules perturbe son émission thermique (Fig1.2).

Gap-plasmons et métamatériaux hyperboliques :

Les gap plasmoniques sont des structures plasmoniques capables de contrôler avec précision la phase et l’amplitude de la lumière réfléchie ou transmise. Elles consistent en une petite couche diélectrique prise en sandwich entre deux couches métalliques. Ils permettent d’imaginer de nouvelles fonctionnalités optiques (absorbeur parfait, contrôle de la polarisation, …). L’utilisation du HDSC nous donne la possibilité d’explorer de nouvelles possibilités de métamatériaux ou métasurfaces exclusivement basées sur des semi-conducteurs. Nous avons démontré expérimentalement une absorption parfaite de l’infrarouge moyen (8 µm) à l’infrarouge lointain (50 µm) et démontré que les HDSC maintiennent les propriétés plasmoniques dans cette large gamme spectrale et jusqu’au THz (Fig2.1).

Les milieux hyperboliques (MH) constituent également un sujet prometteur. Ils consistent en des couches empilées de quelques dizaines de nm alternant métal et diélectrique. Ces couches empilées de semi-conducteurs dopés et non dopés peuvent être considérées dans des conditions spécifiques comme des métamatériaux. Les propriétés optiques en champ proche de ces métamatériaux peuvent être contrôlées en ajustant la géométrie et le niveau de dopage des couches. La microscopie à effet tunnel à balayage par rayonnement thermique (TRSTM) permet d’étudier avec précision la densité d’états locale (LDOS) et de comprendre les propriétés physiques de ces métamatériaux (Fig2.2). Les HM offrent la possibilité d’accéder à une relation de dispersion hyperbolique pour les ondes électromagnétiques grâce aux valeurs de permittivité le long ou perpendiculairement à l’axe normal à la surface qui sont positives ou négatives.

La plasmonique active :

Le HDSC permet de développer des fonctionnalités plasmoniques intégrées dans des dispositifs optoélectroniques. Grâce à la possibilité d’ajuster optiquement ou électriquement la densité de porteurs dans le semi-conducteur, nous pouvons régler dynamiquement les propriétés plasmoniques du HDSC. Des études théoriques ont été menées pour régler optiquement les propriétés plasmoniques des métasurfaces photo-générées dans la gamme THz. Nous avons récemment démontré la possibilité de moduler optiquement une onde THz à une fréquence de quelques MHz (Fig3). Nous avons également conçu et fabriqué un filtre résonant à mode guidé (GMR) basé sur le HDSC. Jusqu’à présent, le filtre GMR ne peut pas être activé. Cependant, cette approche a démontré la possibilité d’intégrer le filtre GMR directement sur un dispositif optoélectronique, tel qu’un détecteur infrarouge moyen.

Les HDSC sont probablement l’approche la mieux adaptée pour développer des dispositifs optoélectroniques plasmoniques actifs. Nous pouvons imaginer un certain nombre d’applications, telles que le filtre actif pour le détecteur, la mise en forme du faisceau pour le faisceau THz, etc.