Les polaritons de plasmons de surface lancés par des nano-émetteurs sont imagés en champ proche – Physics World

Les émetteurs de lumière fabriqués à partir de matériaux 2D et quasi-2D suscitent actuellement un grand intérêt en nano-optoélectronique car leur absence de blindage diélectrique rend leurs paires électron-trou (excitons) extrêmement sensibles à leur environnement. Ceci est avantageux pour fabriquer des dispositifs tels que des photocapteurs et des capteurs électrochimiques hautement réactifs.

Lorsqu'elles sont déposées directement sur la surface d'un métal dans un substrat métal/diélectrique, la lumière émise par ces matériaux quasi-2D ou « nano-émetteurs » peut générer des polaritons de plasmon de surface (SPP). Ce sont des quasi-particules de matière légère qui existent à une interface métal/diélectrique et se propagent le long de celle-ci sous forme d'onde. Un SPP est une onde électromagnétique (polariton) dans le diélectrique qui est couplée à une oscillation de charge électrique à la surface du métal (plasmon de surface). En conséquence, les SPP ont des propriétés similaires à la matière et à la lumière.

Le champ électromagnétique d'un SPP est confiné au champ proche. Cela signifie qu'il n'existe qu'à l'interface métal/diélectrique, son intensité décroissant de façon exponentielle avec l'augmentation de la distance dans chaque milieu. Il en résulte une grande amélioration du champ électrique, rendant les SPP incroyablement sensibles à leur environnement. De plus, la lumière en champ proche peut être manipulée à des échelles de longueur inférieures à la longueur d'onde.

Jusqu'à présent, les systèmes SPP/nano-émetteurs ont été largement étudiés dans le domaine optique lointain, mais les techniques d'imagerie utilisées sont limitées par la diffraction et d'importants mécanismes sous-longueur d'onde ne peuvent pas être visualisés. Dans une nouvelle étude décrite dans Communications Nature, des chercheurs américains ont utilisé la nanospectroscopie améliorée par la pointe pour étudier les SPP dans les nano-émetteurs en champ proche. Cela a permis à l'équipe de visualiser les propriétés spatiales et spectrales des SPP en propagation. En effet, leurs recherches pourraient conduire à de nouveaux dispositifs plasmoniques pratiques passionnants.

Le plus gros n'est pas toujours le meilleur

Ces dernières années, la recherche sur les dispositifs photoniques et leur intégration dans les circuits a suscité un grand intérêt dans l'industrie et le milieu universitaire. En effet, par rapport aux appareils purement électroniques, les appareils photoniques peuvent atteindre des rendements énergétiques plus élevés et des vitesses de fonctionnement plus rapides.

Cependant, deux grands défis doivent être surmontés avant que la photonique ne dépasse l'électronique dans les applications grand public. La première est que les dispositifs purement photoniques sont difficiles à connecter ensemble pour former des circuits plus grands ; et l'autre est que la taille des dispositifs photoniques ne peut pas être inférieure à environ la moitié de la longueur d'onde de la lumière qu'ils traitent. Ce dernier limite la taille des dispositifs à environ 500 nm, ce qui est beaucoup plus grand que les transistors modernes.

Ces deux problèmes peuvent être résolus en créant des dispositifs qui fonctionnent à l'aide de SPP plutôt qu'avec de la lumière conventionnelle. En effet, les propriétés de type lumière des SPP permettent un fonctionnement extrêmement rapide de l'appareil, tandis que les propriétés de type matière des SPP permettent une intégration plus facile dans les circuits et un fonctionnement en dessous de la limite de diffraction.

Cependant, afin de concevoir de la nano-électronique pratique, une meilleure compréhension du comportement sous-longueur d'onde des SPP est nécessaire. Maintenant, Kiyoung Jo, doctorant à l'Université de Pennsylvanie, et ses collègues ont étudié les SPP à l'aide de la nanospectroscopie améliorée par la pointe. Cette technique couple un spectromètre à champ lointain avec un microscope à force atomique (AFM).

La pointe AFM revêtue d'or diffuse la lumière dans le champ proche, ce qui permet aux SPP d'être imagés spatialement et spectralement à l'aide du spectromètre. L'échantillon a été fabriqué par centrifugation d'une solution de nanoplaquettes quasi-2D (flocons à l'échelle nanométrique de l'émetteur de lumière CdSe/Cd_xZn_1-xS) sur un substrat d'or, puis en déposant un diélectrique d'oxyde d'aluminium sur le dessus en utilisant un dépôt de couche atomique.

Les nanoplaquettes ont été excitées à l'aide d'un laser et leur émission de lumière ultérieure a lancé des SPP qui se sont propagés le long de l'interface or/oxyde d'aluminium. Les chercheurs ont observé que les SPP pouvaient se propager jusqu'à des centaines de microns et pouvaient également être réfléchis par la pointe d'or le long de leur chemin d'origine. En cas de réflexions, les SPP incident et réfléchi interfèrent entre eux, formant une onde stationnaire entre la pointe et la nanoplaquette (voir figure : « Réflexions des quasiparticules »). Expérimentalement, ceux-ci ont été observés sous forme de franges de forme parabolique.

Au fur et à mesure que la distance entre la pointe et la nanoplaquette augmentait, les chercheurs ont découvert que l'intensité du champ électrique variait périodiquement. Cela a confirmé la présence d'une onde stationnaire et démontré comment la nanoplaquette et la pointe agissent comme une sorte de cavité. Des simulations informatiques ont montré, cependant, que, bien que la pointe et la nanoplaquette soient nécessaires pour observer les franges, le champ électromagnétique généré par les SPP est présent avec un seul, confirmant que les deux sont capables de lancer des SPP.

La condensation de polaritons émerge d'un état lié dans le continuum

Les chercheurs ont également étudié l'effet des propriétés de l'échantillon sur l'émission de SPP. Par exemple, ils ont découvert que les franges ne se produisaient que lorsque les nanoplaquettes étaient « vers le haut » (perpendiculaires au plan du substrat) et que le laser d'excitation était polarisé de telle sorte que son champ magnétique était perpendiculaire au plan d'incidence (polarisation TM) . En conséquence, la polarisation du laser d'excitation peut être utilisée comme un "interrupteur" pour allumer et éteindre facilement les SPP, ce qui est une caractéristique importante pour les dispositifs optoélectroniques. L'équipe a également découvert que la forme des franges pouvait être utilisée pour déterminer l'orientation dipolaire du nano-émetteur, la forme parabolique suggérant une légère inclinaison (des franges circulaires indiqueraient un angle d'exactement 90° par rapport au plan du substrat) .

L'épaisseur a également joué un rôle important dans les propriétés des SPP, avec des nanoplaquettes plus épaisses produisant des champs électriques plus forts et des diélectriques plus épais entraînant des distances de propagation de SPP plus longues. Des études utilisant différents matériaux diélectriques (dioxyde de titane et diséléniure de tungstène monocouche) ont indiqué qu'en raison d'un confinement accru du champ électrique, une plus grande permittivité diélectrique entraînait également des distances de propagation plus longues. Ceci est important à savoir, car la distance de propagation est directement corrélée au transfert d'énergie par les SPP. Jo résume que "Nous trouvons, visualisons et caractérisons le flux d'énergie à l'échelle inférieure à la longueur d'onde via les SPP à proximité d'émetteurs individuels à l'échelle nanométrique."

L'équipe a montré que la nanospectroscopie améliorée par la pointe est un outil puissant pour l'étude du champ proche dans les systèmes SPP, permettant de déterminer diverses propriétés, telles que l'orientation dipolaire et les implications de la conception de l'échantillon. "La capacité d'imager et d'examiner les phénomènes photoniques sous-longueur d'onde dans les semi-conducteurs excitoniques fait [de la microscopie optique à balayage en champ proche] un outil précieux pour les études fondamentales ainsi que pour la caractérisation des semi-conducteurs", déclare Jariwala profond, qui est l'auteur correspondant sur l'article décrivant le travail. Une telle compréhension améliorée des systèmes SPP sera inestimable dans le développement de dispositifs nano-optoélectroniques pratiques.

• Contenu propulsé par le référencement et distribution de relations publiques. Soyez amplifié aujourd'hui.
• PlatoAiStream. Intelligence des données Web3. Connaissance Amplifiée. Accéder ici.
• Frapper l'avenir avec Adryenn Ashley. Accéder ici.
• Achetez et vendez des actions de sociétés PRE-IPO avec PREIPO®. Accéder ici.
• La source: https://physicsworld.com/a/surface-plasmon-polaritons-launched-by-nano-emitters-are-imaged-in-the-near-field/