Détecteurs de rayonnement X basé sur la Résonance de Plasmons de Surface

(X-Ray Detectors Based on Surface Plasmon Resonance)

J. HastaninDéfense de doctorat le 30 mars 09 PM

2009

Dispositif de lectureRayonnement X

Détecteur de rayonnement X

IndicateurTransducteur

Mécanismes de conversion du rayonnement X dans le transducteur

Dilatation des matériaux

Modification de permittivité diélectrique

Détecteurs micromécaniques

Détecteurs photoniques (classiques)

Méthodes de lecture

électroniques

optiques

Transducteur micromécanique:

Substrat

Cantilever bilameRappel: l’effet de bilame

Mécanismes de dilatation

Le cantilever se déforme (l’effet de bilame)Absorption et conversion de l’énergie du RX en chaleur

Effet de bilame Absorption du RX et génération des photoélectrons

Classique (thermomécanique) :

Dilatation électronique (si l’une des couches du bilame est constituée d’un semi-conducteur )

Contraintes mécaniques

Transducteurs photoniques:

Substrat Substrat

Le rayonnement X absorbé modifie la permittivité diélectrique du matériau de l’absorbeur

Semi-conducteur

Intérêt des méthodes optiques de lecture

Avantages de la lecture optique en comparaison avec la lecture électronique:-structure géométrique du pixel plus simple;-grande fiabilité et robustesse du détecteur;-réduction du bruit de lecture.

Il n’y a pas de bruit de jonctions électriques

Signal de lecture ne pénètre pas au sein de l’absorbeur

(l’effet des fluctuations statistiques du signal de lecture est moindre)

La lecture optique peut être réalisée par un faisceau lumineux impulsionnel, avec la durée d’un pulse inférieure au temps caractéristique de la réponse du transducteur

Dans le cas de la détection bolométrique, le transducteur peut être réalisé sans partie métallique

Cela permet de réduire la capacité calorifique du transducteur et les pertes de la chaleur

Amélioration importante de la sensibilité du détecteur

Concept proposé:Lecture optique de l’état du transducteur par l’intermédiaire de l’effet

SPR ( Résonance des Plasmons de Surface )

Couche plasmonique

Source lumineuse

Couplage optiquePhotodétecteur

Transducteur (p.ex.: un cantilever bilame)

Rayonnement X

Exemple: détecteur micromécanique de rayonnement

-résolution théorique de mesures des déplacements mécaniques est inférieure à 1 nm-résolution théorique de mesures des indices de réfraction est 10-5

-haute vitesse de lecture (le temps de vie des SPs est de quelques fs)-la lecture à effet SPR permet de réaliser des détecteurs matriciels de grandes dimensions

Intérêt de lecture à effet SPR

Rappel sur la théorie Résonance des Plasmons de Surface

Petit coefficient de réflexion de surface métallique Observation:

Plasmons de SurfaceQuanta de l’oscillation corrélée de densité du liquide électronique sur la surface métallique

On peut les exciter par une onde lumineuse évanescente

Echange énergétique résonant Résultat:

θ

θθSPR

Exemple:-excitation des plasmons de surface par une onde lumineuse en mode de réflexion totale interne

Pic d’absorption

Prisme

Couche métallique

30-60nm

Forme et position du pic d’absorption varient en fonction du gap cantilever/substrat

Cantilever

Angle d’incidence

Épaisseur du gap

Gap

Source du faisceau lumineux

Couche plasmonique

Transducteur micromécanique (bilame)

Détecteur de l’intensité (de décalage de phase) du faisceau réfléchi

On peut quantifier la flèche du cantilever à partir du coefficient de réflexion de l’interface plasmonique.

Organigramme généralisée:

Dépôt de la couche sacrificielle

Dépôts des couches structurelles

Formation de structure 2D du pixel

Gravure isotrope de la couche sacrificielle

Illustration:

- Couche métallique (milieu de propagation des plasmons de surface)

- Couche sacrificielle

- Couche structurelle (transducteur)

-Substrat

Mise en oeuvre