Nanomatériaux pour l’optiquelinéaire

Mesurexpo, 28 septembre 2005

Herve.arribart@saint-gobain.com

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