nanomatériaux pour l’optique - société française de...
TRANSCRIPT
![Page 2: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/2.jpg)
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
![Page 3: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/3.jpg)
Matériaux optiques nanostructurés
Définition:solide nanostructuré = solide non-homogène à des échelles comprises entre 1 nanomètre et quelques centaines de nanomètres
![Page 4: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/4.jpg)
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)
![Page 5: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/5.jpg)
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)
![Page 6: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/6.jpg)
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
![Page 7: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/7.jpg)
Mécanique 2/4
Un matériau composite industriel : une seule échelle
100 100 µµmm
![Page 8: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/8.jpg)
100 nm100 nm
Mécanique 3/4
Polymère renforcé par des nanotubesde carbone
![Page 9: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/9.jpg)
Mécanique 4/4
Nano-composite lamellaire
100 nm100 nm
![Page 10: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/10.jpg)
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
![Page 11: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/11.jpg)
Optique 2/9
Vitrage anti-reflet
n=1,5n=1,25
![Page 12: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/12.jpg)
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
![Page 13: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/13.jpg)
Optique 4/9
Écailles d’ailede papillon
Détails
50 50 µµmm
2 2 µµmm200 nm
![Page 14: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/14.jpg)
Optique 5/9
Cristaux colloïdaux de microsphères de latex revêtues de ZnS, diamètre 500 nm
Cristaux photoniquesartificiels
![Page 15: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/15.jpg)
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.
![Page 16: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/16.jpg)
• 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
![Page 17: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/17.jpg)
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
![Page 18: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/18.jpg)
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%
![Page 19: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/19.jpg)
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.
![Page 20: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/20.jpg)
Optique 9/9
Séléniure de cadmium (CdSe)
Taille de particuledécroissante
![Page 21: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/21.jpg)
Ingénierie des matériaux pour la nano-optique. La plasmonique.
![Page 22: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/22.jpg)
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.
![Page 23: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/23.jpg)
Plasmons de surface(plus proprement : surface plasmon polariton)
2pωω =
3pωω =
Si le milieu extérieurest le vide :
![Page 24: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/24.jpg)
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)
![Page 25: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/25.jpg)
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
![Page 26: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/26.jpg)
Verre ‘rubis’
Cu
5 nm5 nm
Les premières applications technologiques
![Page 27: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/27.jpg)
Effets de taille et de forme
![Page 28: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/28.jpg)
Les chimistes à l’œuvre
M.P. Pileni et al., 2001
![Page 29: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/29.jpg)
Les chimistes à l’œuvre
N. Halas (2004)
![Page 30: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/30.jpg)
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
![Page 31: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/31.jpg)
Ingénierie des matériaux pour la nano-optique.2. Confinement de la lumière et guides d’ondes
E. Hao and G. Schatz (2004)
![Page 32: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/32.jpg)
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
![Page 33: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/33.jpg)
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
![Page 34: Nanomatériaux pour l’optique - Société Française de ...sfp.in2p3.fr/expo/Nanosciences/2005/arribart.pdf · que la taille de la particule, l’exciton est confin ... ‘lab-on-chip’,](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022105/5bda9ac109d3f2f6758d0979/html5/thumbnails/34.jpg)
Merci pour votre attention