Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de...
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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 non-homogène 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 µµmm 50 50 µµmm
500 nm500 nm5 5 µµmm
Un matériau composite naturel : multi-échelle
500 500 µµmm 50 50 µµmm
500 nm500 nm5 5 µµmm
Mécanique 2/4
Un matériau composite industriel : une seule échelle
100 100 µµmm
100 nm100 nm
Mécanique 3/4
Polymère renforcé par des nanotubesde carbone
Mécanique 4/4
Nano-composite lamellaire
100 nm100 nm
Optique 1/9
Un matériau hétérogène
n1+ik1n2+ik2
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
Vitrage anti-reflet
n=1,5n=1,25
Cristaux photoniques :couleurs sans pigment
Dans l’air
Dans un liquide d’indice n
n = 1
n = 1.4 n = 1.5
Optique 3/9
Optique 4/9
Écailles d’ailede papillon
Détails
50 50 µµmm
2 2 µµmm200 nm
Optique 5/9
Cristaux colloïdaux de microsphères de latex revêtues de ZnS, diamètre 500 nm
Cristaux photoniquesartificiels
Optique 6/9
Couche d’argent (<20nm)
verre
Vitrage anti-solaire
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.
• En fait, la couche d’argent est séparée en deux : Fabry-Pérot
Diélectrique
Diélectrique
Diélectrique
Verre
Argent
Argent
• pour augmenter la transmission dans le visible
• et augmenter la réflectivité dans l’infrarouge
Optique 7/9
0102030405060708090
100
300 700 1100 1500 1900 2300Wavelength (nm)
Ref
lect
ivity
(%) Thickness 50 nm
Thickness 1 µm
Visible
0
1020
304050
6070
8090
100
300 700 1100 1500 1900 2300Wavelength (nm)
Ref
lect
ivity
(%) 1µm
20 nm
Visible
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
300 800 1300 1800 2300Wavelength (nm)
Ref
lect
ivity
(%)
Glass/Ag (20 nm)
Glass/TiO2 (30 nm)/Ag (20 nm)/TiO2 (30 nm)
Visible
TL = 79 %RL = 6 %
TL = 28 %RL = 65%
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
Séléniure de cadmium (CdSe)
Taille de particuledécroissante
Ingénierie des matériaux pour la nano-optique. La plasmonique.
Fréquence plasma d’un métal
mNe4 2
pπ=ω
N = densité d’électrons de conductionm = masse effective des électrons
pour ω < ωp, le métal est réfléchissantpour 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)
2pωω =
3pωω =
Si le milieu extérieurest le vide :
Autre langage :L’anomalie diélectrique
( ) )(" 2 )('
)(" 24 )(
222
2
ωεωε
ωεω
pp
pabs
nnQ
++=
Le facteur d’absorption d’un milieu formé d’une matrice diélectrique d’indice n et de petites inclusions métalliques de fonction diélectrique
est donné par :
Résonance à la fréquence ωF telle que ε’p(ωF) = -2n2
ωF est voisin de ωp.
εp(ω) = ε'p(ω) + i ε"p(ω)
argent
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
longueur d'onde (nm )
ε'
ε"
ωp ωF dans le vide
Verre ‘rubis’
Cu
5 nm5 nm
Les premières applications technologiques
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
Applications : photolithographie, stockage optique, …
T. Ebbessen et al., 1998
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
Applications : ‘lab-on-chip’, nanoantenne, nanospectroscopie, …S. Maier et al., 2003
J. Penninkhof et al., 2003
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
Roadmap des nanomatériaux plasmoniques
Merci pour votre attention