Conception d'un absorbeur optique infrarouge à l'aide d'un réseau de nano-anneaux d'argent constitué d'un sommet

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7770 (2023) Citer cet article

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Cet article présente la simulation numérique et la fabrication d'une métasurface composée de nanoanneaux d'argent avec un intervalle d'anneau fendu. Ces nanostructures peuvent présenter des réponses magnétiques induites optiquement avec des possibilités uniques de contrôler l'absorption aux fréquences optiques. Le coefficient d'absorption du nanoanneau d'argent a été optimisé en effectuant une étude paramétrique avec des simulations de domaine temporel à différence finie (FDTD). Les sections efficaces d'absorption et de diffusion des nanostructures sont calculées numériquement pour évaluer l'impact des rayons intérieur et extérieur, l'épaisseur et l'écart d'anneau fendu d'un nanoanneau, ainsi que le facteur de périodicité pour un groupe de quatre nanoanneaux. Cela a montré un contrôle total sur les pics de résonance et l'amélioration de l'absorption dans la gamme spectrale proche infrarouge. La fabrication expérimentale de cette métasurface constituée d'un réseau de nanoanneaux d'argent est réalisée par lithographie et métallisation par faisceau d'électrons. Des caractérisations optiques sont ensuite réalisées et comparées aux simulations numériques. Contrairement aux métasurfaces habituelles des résonateurs à anneau fendu micro-ondes rapportées dans la littérature, la présente étude montre à la fois la réalisation par un processus descendant et la modélisation effectuée dans la gamme de fréquences infrarouge.

La conception de métasurfaces absorbantes dans les domaines du visible et de l'infrarouge est clé dans divers domaines tels que le solaire thermique et photovoltaïque, l'optoélectronique (photodétecteurs, capteurs, etc.) ou encore pour les matériaux fonctionnels nécessitant des absorbeurs sélectifs1,2,3,4,5,6 ,7. L'opportunité d'utiliser des nanostructures de sous-longueur d'onde pour ajuster l'interaction lumière-matière a suscité un énorme intérêt au cours de la dernière décennie, grâce à la pléthore de propriétés optiques uniques qui peuvent être obtenues avec des métamatériaux ou des métasurfaces, qui ne sont pas vues dans la nature par définition8,9 ,10,11,12,13,14. Parmi ces possibilités, les résonateurs métalliques à anneau fendu sont des métamatériaux bien connus offrant des possibilités uniques de contrôle de la réponse aux composantes électriques et magnétiques de la lumière dans les bandes visible15,16,17 et infrarouge [proche infrarouge (NIR) et infrarouge à ondes courtes ( SWIR)]18,19,20. En plus des résonances à caractère électrique, les résonateurs métalliques à anneau fendu supportent les résonances magnétiques induites optiquement en raison de leur forme circulaire21,22,23,24,25,26. Les champs électriques et magnétiques peuvent être améliorés et par conséquent provoquer une amélioration des propriétés d'absorption à la longueur d'onde de résonance19,27,28. De plus, les résonateurs à anneau fendu offrent des possibilités uniques pour contrôler avec précision la réponse lumineuse en fonction de leurs paramètres géométriques. La conception du nanoanneau fournit une excellente plate-forme pour régler facilement les propriétés de résonance plasmonique grâce à un ensemble précis de paramètres : les rayons intérieur et extérieur, l'espace de l'anneau fendu et l'épaisseur de la structure29,30. Plusieurs approches technologiques ont été étudiées pour la réalisation de tels résonateurs à anneau fendu17,31,32,33. Par exemple, nous avons récemment proposé une approche ascendante innovante34 pour la fabrication de surfaces nanophotoniques à partir de blocs de construction de nanocubes colloïdaux, montrant le potentiel de changer la donne dans la fabrication à faible coût de métasurface35,36. Cette étude précédente nous a permis de définir des restrictions sur la conception de la métasurface qui ne sont pas prises en compte dans les rapports précédents37,38. Ces contraintes technologiques ont été prises en compte dans cette étude qui utilise cette fois un processus descendant. Ici, la fabrication du réseau de nanoanneaux d'argent est réalisée par lithographie et métallisation par faisceau d'électrons. L'objectif est d'optimiser la conception de la métasurface grâce à des simulations FDTD et de valider le modèle grâce à une méthode de fabrication fiable et reconnue. Par conséquent, la simulation FDTD et la fabrication descendante sont effectuées en tenant compte des contraintes de conception. Nous proposons un ensemble de paramètres réalistes de réseaux de nanoanneaux pour obtenir une amélioration de l'absorption dans le proche infrarouge (λ = 1000–2000 nm) qui peut être intéressante pour un grand nombre d'applications optoélectroniques39,40,41. L'argent est choisi comme matériau constitutif en raison de ses excellentes propriétés optiques et électroniques42.

Tout d'abord, nous proposons diverses conceptions optimales qui maximisent l'absorbance des réseaux à anneaux fendus à différentes fréquences infrarouges, et nous comparons la réponse des résonateurs individuels à celle des réseaux ; Ensuite, nous fabriquons les métasurfaces par un processus descendant standard sur un substrat transparent. Enfin, nous caractérisons les propriétés optiques des métasurfaces et les comparons à des simulations numériques pour valider les conceptions. Cette étude montre la simulation et la fabrication descendante d'une métasurface optimisée constituée de nanoanneaux d'argent, présentant une grande exaltation de ses propriétés d'absorption à une longueur d'onde spécifique de 1500 nm tout en tenant compte des contraintes technologiques.

L'impact des propriétés géométriques sur la réponse optique est étudié en effectuant une étude paramétrique via des simulations de domaine temporel à différence finie (FDTD) (voir les figures S1, S2 et la section "Méthodes" pour plus de détails)43,44,45,46,47 ,48. La section efficace d'absorption et de diffusion pour un anneau fendu individuel est calculée en fonction des rayons intérieur (h1) et extérieur (h2), de l'épaisseur (z) et de l'espace de l'anneau fendu (g), décrit à la Fig. 1, par faire varier un paramètre à la fois. Les contraintes de fabrication sont mises en œuvre en fixant une section carrée (z = h2 − h1). L'efficacité d'extinction est calculée à partir des sections efficaces de diffusion et d'absorption. La maximisation de la section efficace d'absorption à 1500 nm est utilisée comme facteur de mérite pour sélectionner la géométrie optimale de l'anneau fendu. Celle-ci est ensuite utilisée comme paramètre fixe pour optimiser la section d'absorption de l'anneau fendu couplé 4, en fonction de la distance.

(a) Schéma de la structure du nanoanneau d'argent. Le rayon intérieur de l'anneau est étiqueté h1, le rayon extérieur h2, l'épaisseur z et l'espace de l'anneau fendu g. (b) Vue en coupe du nanoanneau.

La figure 2 illustre l'impact des paramètres géométriques sur la section. Plusieurs pics sont observés correspondant à des modes de résonance plasmonique d'ordre élevé comme rapporté dans la littérature19. L'augmentation du rayon intérieur h1 conduit à un décalage vers le rouge de l'efficacité d'extinction Qext et à l'augmentation des efficacités de diffusion et d'absorption. À l'inverse, l'augmentation de l'épaisseur z et de l'écartement de l'anneau fendu g se traduit par un Qext plus petit et un décalage vers le bleu34. La figure 2 se concentre sur l'efficacité d'absorption dépendante de la longueur d'onde Qabs de la structure. Qabs est la section efficace d'absorption normalisée (c'est-à-dire σabs/A) où A est la section projetée du nanoanneau dans le plan x–y. Une étude préliminaire a permis de définir les paramètres fixes pour atteindre des résonances de longueur d'onde entre 1000 et 2000 nm. Seule la variation de z a cependant été étudiée, avec un rayon intérieur h1 de 250 nm, un rayon extérieur h2 de 305 nm et un entrefer g de 20°. Il apparaît sur la figure 2a que plus l'épaisseur de l'anneau z varie, ici de 120 à 30 nm, plus le rendement d'absorption est élevé. Lorsque l'on fait varier le paramètre z de 40 à 70 nm, compte tenu cette fois de la contrainte de fabrication, c'est-à-dire faire varier z ainsi que (h2 - h1), h1 est maintenu constant à 250 nm, comme illustré sur la figure 2b. Elle montre que plus elle augmente, plus l'efficacité d'absorption diminue en plus d'une tendance au bleu-décalage de la longueur d'onde de résonance due au paramètre z, ainsi qu'à un élargissement du pic Qabs dû à la variation de h2. Le paramètre z peut donc être utilisé comme paramètre alternatif pour ajuster les valeurs des propriétés optiques et les longueurs d'onde de résonance. De plus, ces deux premières figures montrent une meilleure absorption dans le cas de z indépendamment de la valeur (h2 − h1). Par conséquent, les contraintes de fabrication ne permettent pas de choisir la valeur d'absorption la plus performante pour la longueur d'onde d'intérêt de 1500 nm mais la conception sera optimisée en fonction des paramètres géométriques adaptés à la fabrication.

Efficacité d'absorption dépendante de la longueur d'onde de la structure présentée à gauche de chaque diagramme. (a) Seule l'épaisseur varie. (b) L'épaisseur égale à la largeur du nanoanneau étant modifiée. ( c ) L'espace de l'anneau fendu étant varié et les efficacités d'extinction et d'absorption dépendant de la longueur d'onde de la structure présentées.

Un autre paramètre important est g. La figure 2c montre l'efficacité d'extinction à gauche et l'efficacité d'absorption à droite d'un seul nanoanneau en faisant varier l'angle g de 45° à 10°. On observe que plus g diminue, plus l'efficacité d'extinction augmente, par conséquent l'efficacité de diffusion, mais surtout plus l'efficacité d'absorption augmente dans une certaine mesure pour les angles d'entrefer calculés ici. En effet, pour la structure calculée, h1 = 250 nm, h2 = 305 nm et z = 55 nm, Qabs augmente jusqu'à une valeur de g de 20° avant de rester le même alors que g diminue à 10°. Un angle d'écart de 10° équivaut approximativement à une distance de 50 nm qui correspond à une limite expérimentale fixée afin d'assurer une bonne réalisation comme le montre la fabrication de nanoanneaux d'argent de la section "Résultats". L'évolution de la fréquence de résonance et de l'efficacité d'absorption, en fonction de tous ces paramètres géométriques, est résumée avec un ajustement par régression polynomiale dans la figure S3 de la note complémentaire.

En tenant compte de toutes les contraintes expérimentales, les résultats de cette étude paramétrique ont permis de définir un ensemble de paramètres d'un nanoanneau d'argent individuel, adapté à la fabrication et montrant une amélioration des propriétés d'absorption à une longueur d'onde de 1500 nm. Le motif qui constituera donc la métasurface expérimentale et dont la périodicité sera étudiée ci-dessous, a la géométrie suivante : h1 = 250 nm, h2 = 305 nm et z = 55 nm et g = 20°.

Une fois définis les paramètres de l'anneau individuel permettant l'absorption à la longueur d'onde d'intérêt de 1500 nm, l'impact de la distance en espace libre entre les nanoanneaux est étudié. Les sections efficaces de diffusion et d'absorption ont été simulées avec un champ électrique polarisé x, pour les paramètres géométriques mentionnés ci-dessus. Comme illustré sur la Fig. 3, les propriétés optiques de quatre nano-anneaux sont ainsi étudiées afin d'évaluer l'impact de la distance en espace libre en abscisse d mais aussi en ordonnée p. La structure, présentée Fig. 3a, est composée de quatre nanoanneaux présentant la géométrie définie ci-dessus. D et p varient, en étant égaux l'un à l'autre, de 50 à 390 nm. Plus d = p augmente, plus la section efficace absorbante augmente (Fig. 3b). En effet, la Fig. 3b montre une grande exaltation de la section efficace d'absorption (plus de trois fois supérieure) à la longueur d'onde de 1500 nm pour quatre nanoanneaux d'argent espacés de 390 nm (en rose) dans les axes x et y, par rapport à quatre nanoanneaux espacés de 50 nm (en noir). Bien que le couplage entre les nano-anneaux (Fig. 3c) semble plus important lorsque d est faible, la cartographie montre une concentration de champ plus forte au niveau de l'espace de l'anneau fendu g malgré la distance lorsque d = 390 nm. Fait intéressant, il semble que les anneaux résonnent à cette périodicité permettant une amélioration de la réponse d'absorption.

(a) Structure des nanoanneaux étudiés avec d et p les distances d'espace libre dans les axes x et y. (b) Sections efficaces d'absorption dépendant de la longueur d'onde de quatre nanoanneaux d'argent avec les distances d'espace libre, d variant sur l'axe x et p variant sur l'axe y, tous deux de 50 à 390 nm et (c) Cartographie du champ électrique intensité à la longueur d'onde de résonance de chaque groupe de quatre nanoanneaux étudiés.

Par conséquent, grâce à l'étude paramétrique et à l'étude d'impact de la distance en espace libre pour quatre nanoanneaux, le choix du motif à fabriquer a pu être fait. La métasurface qui sera fabriquée est composée d'un réseau de nanoanneaux d'argent, chacun ayant un rayon intérieur h1 de 250 nm, un rayon extérieur h2 de 305 nm, une épaisseur z de 55 nm, un intervalle d'anneau fendu g de 20° et étant espacés les uns des autres de 390 nm. La comparaison de la section absorbante d'un seul (en noir) et de quatre (en bleu) nanoanneaux sur la figure 4 montre une exaltation significative de l'efficacité d'absorption de trois fois pour quatre nanoanneaux par rapport à un seul nanoanneau. Ces résultats ont confirmé le choix de la structure car elle suggère, en effet, des propriétés d'absorption encore plus exaltées avec un réseau ordonné de nanoanneaux, et justifie l'intérêt de réaliser ce motif de métasurface. Enfin, nous étudions la dépendance à la polarisation de la lumière du motif choisi. L'effet de la polarisation du champ électrique est présenté dans la figure S4 de la note complémentaire. Les sections efficaces d'absorption et de diffusion (Fig. S4a,b respectivement) ont été simulées avec un champ électrique orienté parallèlement (en noir) et perpendiculaire (en rouge) à l'axe des x, E// et E_|_ respectivement. Lorsque le champ électrique est incliné de la polarisation parallèle à la polarisation perpendiculaire, une amélioration de la section efficace d'extinction ainsi qu'un décalage vers le bleu de la longueur d'onde de résonance sont observés. En effet, la section efficace de diffusion augmente lorsque la section efficace d'absorption diminue. Une grande amélioration du champ électrique est observée au niveau de l'espace nanorings g pour la polarisation parallèle contrairement à la polarisation perpendiculaire, comme indiqué sur la cartographie de l'intensité du champ électrique (Fig. S4c, d).

Coupe transversale d'absorption dépendant de la longueur d'onde d'un seul nanoanneau en noir et de quatre nanoanneaux avec une distance d'espace libre de 390 nm dans les axes x et y en bleu. Les paramètres du nanoanneau unique utilisé sont illustrés à la Fig. 1.

La fabrication est ici réalisée par un procédé descendant classique. En effet, depuis le boom des nanotechnologies des dernières décennies, différentes techniques de nanofabrication ont vu le jour49,50,51. Parmi ces nombreux procédés développés, la nanolithographie et surtout la lithographie par faisceau d'électrons est une méthode descendante qui a été la plus largement mise en œuvre pour produire des motifs de taille submicronique49,52,53,54,55,56,57. C'est maintenant une technique bien connue qui est largement utilisée pour développer diverses métasurfaces. Par conséquent, pour fabriquer les motifs présentés sur la figure 5, nous avons utilisé le processus de lithographie par faisceau d'électrons suivi d'une évaporation du matériau en argent. Ces différents motifs correspondent à l'échelle de taille de la structure optimisée permettant une absorption dans les bandes proche IR.

Vues de dessus SEM des réseaux de nanoanneaux d'argent présentant divers paramètres fabriqués dans les différentes zones.

Six réseaux de nanoanneaux d'argent différents de 2 mm2 chacun de divers paramètres (N1 à N6) sont disposés sur un seul substrat transparent de 2 pouces de diamètre. Leurs paramètres spécifiques sont résumés dans le tableau 1. Selon la modélisation présentée ci-dessus, différentes configurations ont été testées pour évaluer la validité de l'étude. Ainsi, la largeur (h2 − h1) et l'espace de l'anneau fendu g ont été modifiés ainsi que la périodicité (l = 2 × h2 + d) du réseau. Les principales étapes de la méthode de fabrication sont résumées sur les figures S5 et S6 (voir également la section expérimentale pour plus de détails).

Les images SEM de la figure 5 montrent les résultats réussis de la fabrication de la métasurface avec six zones de réseaux de nanoanneaux d'argent composés de plusieurs paramètres géométriques différents. Avec la zone N5, qui correspond à des anneaux espacés de 100 nm chacun, on constate que malgré le faible espacement, la qualité des anneaux est très bonne, les paramètres de géométrie étant respectés. Cependant, la zone N6, qui correspond à des anneaux plus petits avec une périodicité de 50 nm, montre que les limites de ce procédé de fabrication par lithographie e-beam sont atteintes. En plus des images SEM, l'épaisseur des nanorings a été vérifiée par microscopie à force atomique (AFM) comme le montre la figure S7. L'épaisseur mesurée est d'environ 39 nm ce qui correspond approximativement aux épaisseurs déposées sur le substrat qui sont 35 nm d'argent et 3 nm de chrome. Le procédé de fabrication est donc considéré comme satisfaisant.

Une fois les réseaux de nanoanneaux obtenus, les différentes zones ont été caractérisées optiquement à l'aide d'un spectrophotomètre. La figure S8 montre un exemple de grande surface obtenue sur la matrice N5 de plus de 26 × 20 µm2 sans aucune erreur de périodicité, nécessaire à la réalisation des mesures. Nous concentrons notre travail expérimental de mesure effectuée sur deux zones différentes, N3 et N5, comme le montre l'absorption normalisée mesurée sur la figure 6. Entre les deux zones, seule la périodicité change car les nanoanneaux de la zone N3 sont espacés de 250 nm tandis qu'espacés de 100 nm dans la zone N5. Les plus grands pics de résonance semblent rester les mêmes tandis que le petit se décale de moins de 100 nm de 1230 nm pour N5 (d = p = 100 nm) à 1315 nm pour N3 (d = p = 250 nm). Il est important de noter qu'un grand décalage vers le rouge de la longueur d'onde de résonance est remarqué par rapport aux études de simulation réalisées ci-dessus. Cela est dû à la présence du substrat qui n'a pas été inclus dans les simulations. Ce décalage vers le rouge est en effet confirmé, comme le montre la figure S9, où les propriétés optiques de quatre nanoanneaux dans le vide sont comparées à celles de quatre nanoanneaux avec une fine couche de chrome et déposés sur un substrat de verre.

(a) Absorption normalisée dépendante de la longueur d'onde mesurée pour les zones N3 et N5. Images MEB des réseaux N3 (b) et N5 (c).

Selon la littérature58, une fine couche d'alumine (Al2O3) a été déposée afin de protéger les échantillons d'argent évaporés de la contamination de l'air. Une couche de 3 nm d'épaisseur a été déposée par dépôt de couche atomique pour voir l'impact sur le pic d'absorption, et par rapport à une épaisseur de 10 nm. Les absorptions normalisées ont été mesurées par spectrophotomètre pour les deux zones N3 et N5 de la figure S10, sans aucune couche d'alumine et avec une couche de 3 nm et 10 nm, respectivement. Il montre un décalage du pic d'absorption d'environ 50 nm après chaque dépôt. Pour N3, on observe un pic de décalage de 58 nm après dépôt de 3 nm d'Al2O3 et 112 nm au total après une couche de 10 nm d'épaisseur. Pour N5, un pic de décalage de 32 nm est trouvé après un dépôt de 3 nm d'Al2O3 et 120 nm au total après une couche de 10 nm d'épaisseur. En conclusion, un dépôt d'une fine couche d'alumine permet de protéger la métasurface tout en ayant un très léger impact sur la réponse optique.

Pour comparer les résultats des simulations aux caractérisations expérimentales et ainsi valider le modèle de simulation, les réponses optiques des différentes zones de la métasurface ont été simulées grâce à la configuration de calcul présentée dans la première section et schématisée dans la Figure S2. La figure 7 se concentre sur la zone N3 en bleu et la zone N5 en jaune. Le spectre de réflexion a été calculé numériquement et comparé à la réflexion mesurée par spectrophotomètre pour les zones N3 et N5, les deux spectres étant normalisés et présentés sur la Fig. 7. Les spectres de réflexion montrent la même signature optique avec des pics de résonance sensiblement aux mêmes longueurs d'onde connaissant la la fabrication permet quelques imprécisions sur les paramètres géométriques recherchés. Surtout, ces résultats permettent la validation du modèle de simulation présenté dans la première partie, offrant une bonne précision des paramètres géométriques spécifiques.

Spectres de réflexion normalisés des zones N3 et N5 mesurés au spectrophotomètre pour le design fabriqué (en trait plein) et ceux correspondants simulés numériquement (en pointillé).

Pour conclure, nous avons simulé, fabriqué et caractérisé optiquement plusieurs métasurfaces conçues en nanoanneaux d'argent permettant l'absorption dans les bandes du proche infrarouge. Tout d'abord, un ensemble de paramètres géométriques ont été prédits par simulation numérique pour une amélioration de l'absorption aux fréquences optiques. L'étude paramétrique d'un nanoanneau mais aussi des études de périodicité ont été réalisées. Une fois cette première étape franchie, la faisabilité technique de sa fabrication a été testée. Une fabrication de conception réussie de différents réseaux de nanoanneaux avec plusieurs paramètres géométriques et de périodicité a été réalisée par une méthode de processus descendante, au point de montrer les limites de la fabrication avec la méthode de lithographie par faisceau d'électrons. Enfin, nous avons validé le modèle FDTD en comparant les résultats de la caractérisation optique et de la simulation numérique de la métasurface. L'objectif était de parfaire les possibilités d'absorption de cette structure et de faciliter leur conception future via une nouvelle technique bottom-up. De plus, l'étude réalisée via la simulation numérique FDTD a permis d'optimiser la métasurface aux fréquences visibles et cela a montré un intérêt particulier pour la biodétection et les applications thérapeutiques59 grâce aux propriétés uniques de la métasurface des résonateurs à anneaux fendus. En fait, ces structures ont été très attractives pour la recherche en biochimie et en biodétection et ont été utilisées par exemple comme capteurs dichroïques pour la spectroscopie moléculaire à longueur d'onde visible15 ou pour les capteurs d'ADN60. Quant à la réponse optique à 1500 nm, les applications d'intérêt sont liées à la photodétection avec des détecteurs dans la bande SWIR. La suite des travaux portera également sur les structures antisymétriques pour évaluer l'influence de la conception mais aussi, d'un point de vue caractérisation, pour effectuer des mesures de diffusion. En effet, pour des structures n'étant pas symétriques, la diffusion dépendra de l'angle de l'onde incidente et ouvrira donc de nouvelles possibilités pour les composants optiques nécessitant une grande acception angulaire. Cette recherche est en fait la première étape d'un travail futur concernant une nouvelle méthode ascendante de fabrication de métasurface de nanoanneaux réalisée par une technique d'auto-assemblage de nanocubes d'argent dans des matrices de PDMS flexibles34.

Les simulations 3D ont été réalisées à l'aide du logiciel commercial FDTD LUMERICAL.

Pour les résultats rapportés dans les sections de simulations FDTD, les conditions de simulations ont été choisies comme suit. Une onde plane de lumière est normalement incidente le long de l'axe z et le champ électrique est polarisé en x. Les conditions aux limites symétriques et Perfect Match Layer (PML) sont utilisées dans les directions x et y. Les conditions aux limites PML sont choisies dans la direction z. Les constantes optiques de l'argent sont extraites des données expérimentales de Johnson & Christie61. Un maillage non uniforme est utilisé.

Pour les résultats de simulation rapportés sur la figure 7, les conditions de simulation ont été choisies comme suit. Une onde plane de lumière est normalement incidente le long de l'axe z et le champ électrique est polarisé en x. Les conditions aux limites PML sont définies en haut et en bas du domaine de calcul (dans la direction z), simulant un matériau hautement absorbant. Les conditions périodiques sont utilisées pour répéter périodiquement le modèle défini le long des axes x et y, permettant les simulations des interactions avec les structures voisines. Ainsi, seule une énergie négligeable serait renvoyée dans ce domaine. Les constantes optiques pour l'argent sont extraites des données expérimentales de Johnson & Christie61, de Palik pour le chrome43 et d'Ohara pour le verre borosilicaté62. Un maillage non uniforme est utilisé. Le détecteur T, permettant la mesure de la puissance transmise émise par la source d'onde plane est placé à 6500 nm sous le nanoanneau composé de chrome et d'argent.

Le substrat de verre est nettoyé successivement dans de l'acétone et de l'alcool isopropylique (IPA) sous agitation ultrasonique, séché sous flux d'azote propre puis exposé à un plasma d'oxygène dans un réacteur barril (Nanoplas France) pendant 10 min à 150 °C.

La première couche de résine à faisceau électronique à tonalité positive très sensible ARP 617.02 (Allresist, Allemagne) contenant un mélange de copolymère à base de poly(méthacrylate de méthyle) PMMA et d'acide méthacrylique MMA, solvant plus sûr 1-méthoxy-2-propanol, est spin-coated à 6000 rpm pendant 1 min suivi d'un recuit à 200 °C pendant 20 min sur une plaque chauffante.

Ensuite, la deuxième couche d'ARP 679.02 e-beam resist (solution de PMMA à 2% dans du lactate d'éthyle) est enduite par centrifugation à 6000 rpm pendant 1 min suivi d'un recuit à 170 ° C pendant 10 min.

Ensuite, une couche de résine conductrice ARPC 5090.02 (Allresist, Allemagne) est enduite par centrifugation à 4000 tr/min pendant 1 min suivi d'un recuit à 90 °C pendant 2 min.

La lithographie par faisceau électronique est réalisée par un système de lithographie par faisceau d'électrons (PIONEER, Raith, Allemagne) afin de créer le motif de réseaux de nanoanneaux avec les paramètres d'exposition suivants : tension d'accélération : 20 kV, courant de faisceau : 0,018 nA, distance de travail : 8 mm, dose nominale : 100 µC/cm2 et un facteur dose : de 1 à 1,2.

Après l'exposition par lithographie par faisceau d'électrons, la résine conductrice est éliminée par un bain d'eau déminéralisée pendant 30 s. Ensuite, le développement de la résine est effectué pendant 60 s dans une solution commerciale AR 600–55 avant d'être stoppé dans un bain d'IPA pendant 55 s.

Ensuite, une fine couche de germination (3 nm) de chrome est évaporée sur le substrat avant d'évaporer une couche d'argent de 30 nm sous vide (Auto 306, Edwards, UK).

Enfin, un processus de décollage élimine les résines e-beam et l'excès d'argent pendant quelques heures dans l'acétone.

Le film mince Al2O3 a été développé par ALD dans un réacteur Fiji 200 (Veeco/Cambridge Nanotech) en utilisant du triméthylaluminium (Strem Chemicals, 98%) et de l'eau déminéralisée. Les conditions de dépôt ont été fixées selon un précédent travaux63. Le cycle ALD consistait en une impulsion séquentielle et une purge de TMA et H2O dans la chambre de réaction maintenue à 150 °C. Les durées d'impulsion et de purge étaient de 0,06:10 s pour les deux précurseurs. L'ellipsométrie spectroscopique in situ a été utilisée pour ajuster l'épaisseur du film.

Les données à l'appui des graphiques de cet article et d'autres conclusions de cette étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Koenderink, AF & Polman, A. Nanophotonique : Technologie basée sur la lumière rétractable. Sciences 348, 516–521 (2015).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Li, J., Li, J., Zhou, S. & Yi, F. Photodétecteurs à métasurface. Micromachines 12, 1584 (2021).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Akselrod, GM et al. Absorbeurs parfaits de métasurface de grande surface, du visible au proche infrarouge. Adv. Mater. 27, 8028–8034 (2015).

Article CAS PubMed Google Scholar

Carlberg, M. et al. Caractérisations optiques de nanoparticules multiformes dans des couches minces polymères. Adv. Mater. TechConnect Briefs 2017(1), 177–179 (2017).

Google Scholar

Escoubas, L. et al. Conception et réalisation d'absorbeurs de lumière utilisant des nanoparticules plasmoniques. Programme. Électron quantique. 63, 1–22 (2019).

Annonces d'article Google Scholar

Otanicar, TP, DeJarnette, D., Hewakuruppu, Y. & Taylor, RA Filtrage de la lumière avec des nanoparticules : un examen des particules et des applications optiquement sélectives. Adv. Opter. Photon. 8, 541 (2016).

Article Google Scholar

Yourston, L. et al. Réglage des propriétés des nanoclusters d'argent avec des assemblages de nanoanneaux d'ARN. Nanoscale 12, 16189–16200 (2020).

Article CAS PubMed Google Scholar

Boltasseva, A. & Atwater, HA Métamatériaux plasmoniques à faible perte. Sciences (80–) 331, 290–291 (2011).

Article ADS CAS Google Scholar

Zheludev, NI & Kivshar, YS Des métamatériaux aux métadispositifs. Nat. mater. 11, 917–924 (2012).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Kivshar, Y. Méta-optique tout diélectrique et nanophotonique non linéaire. Natl. Sci. Rév. 5, 144–158 (2018).

Article CAS Google Scholar

Kuznetsov, AI, Miroshnichenko, AE, Brongersma, ML, Kivshar, YS & Lukyanchuk, B. Nanostructures diélectriques à résonance optique. Sciences (80–) 354, 25 (2016).

Article Google Scholar

Xiao, S., Chettiar, Royaume-Uni, Kildishev, AV, Drachev, VP et Shalaev, VM Métamatériaux à indice négatif à lumière jaune. Opter. Lett. 34, 3478–3480 (2009).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Valentine, J. et al. Métamatériau optique tridimensionnel à indice de réfraction négatif. Nature 455, 376–379 (2008).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Yin, S., Galiffi, E. & Alù, A. Floquet métamatériaux. eLight 2, 1–13 (2022).

Article Google Scholar

Clark, AW, Glidle, A., Cumming, DRS & Cooper, JM Résonateurs nanophotoniques à anneau fendu comme dichroïques pour la spectroscopie moléculaire. Appl. Phys. Lett. 93, 2006–2009 (2008).

Article Google Scholar

Lahiri, B., McMeekin, SG, Khokhar, AZ, De La Rue, RM & Johnson, NP Réponse magnétique des résonateurs à anneau fendu (SRR) aux fréquences visibles. Opter. Express 18, 3210 (2010).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Tomioka, T., Kubo, S., Nakagawa, M., Hoga, M. et Tanaka, T. Résonateurs à anneau fendu interagissant avec un champ magnétique à des fréquences visibles. Appl. Phys. Lett. 103, 1–5 (2013).

Article Google Scholar

Ishikawa, A. & Tanaka, T. Perméabilité magnétique négative des résonateurs à anneau fendu dans la région de la lumière visible. Opter. Commun. 258, 300–305 (2006).

Article ADS CAS Google Scholar

Jiang, B. & Sun, C. Sur les propriétés plasmoniques d'une structure de nanoanneaux d'argent brisant la symétrie. Phys. E Syst. Nanostructure. 101, 62–70 (2018).

Article ADS CAS Google Scholar

Nordlander, P. L'anneau : un leitmotiv en plasmonique. ACS Nano 3, 488–492 (2009).

Article CAS PubMed Google Scholar

Miroshnichenko, AE, LukYanchuk, B., Maier, SA & Kivshar, YS Interaction induite optiquement des moments magnétiques dans les métamatériaux hybrides. ACS Nano 6, 837–842 (2012).

Article CAS PubMed Google Scholar

Zhou, L. et al. Structure cristalline et propriétés optiques des nanoanneaux d'argent. Appl. Phys. Lett. 94, 153102 (2009).

Annonces d'article Google Scholar

Wegener, M. Nano-optique pour améliorer les interactions lumière-matière à l'échelle moléculaire (Springer, 2013). https://doi.org/10.1007/978-94-007-5313-6.

Réserver Google Scholar

Kapitanova, PV et al. Contrôler les résonateurs à anneau fendu avec la lumière. Appl. Phys. Lett. 99, 2011-2014 (2011).

Article Google Scholar

Scalari, G. et al. Couplage ultra-fort lumière-matière à des fréquences térahertz avec des résonateurs en anneau fendu et des transitions de niveau inter-Landau. J. Appl. Phys. 113, 25 (2013).

Article Google Scholar

Saha, C. & Siddiqui, JY Estimation de la fréquence de résonance des résonateurs à anneaux fendus circulaires conventionnels et rotatifs. En 2009, Applied Electromagnetics Conference (AEMC) 1–3 (IEEE, 2009). https://doi.org/10.1109/AEMC.2009.5430631.

Roglá, LJ, Carbonell, J. & Boria, VE Étude des circuits équivalents pour les résonateurs à anneau ouvert et à anneau fendu dans la technologie des guides d'ondes coplanaires. IET Microw. Antennes Propag. 1, 170 (2007).

Article Google Scholar

Aydin, K. et al. Étude des résonances magnétiques pour différents paramètres et conceptions de résonateur à anneau fendu. Nouveau J. Phys. 7, 168–168 (2005).

Annonces d'article Google Scholar

Mu, S., Chen, H., Shi, C., Zhang, J. & Yang, B. Au nanoring arrays avec des caractéristiques morphologiques accordables et des résonances plasmoniques. Nano Rés. 14, 4674–4679 (2021).

Article ADS CAS Google Scholar

Forcherio, GT, Blake, P., DeJarnette, D. & Roper, DK Structure nanoring, espacement et sensibilité diélectrique locale pour les résonances plasmoniques dans les réseaux carrés résonnants de Fano. Opter. Express 22, 17791 (2014).

Article ADS PubMed Google Scholar

Chen, CC et al. Fabrication de résonateurs tridimensionnels à anneau fendu par une méthode d'assemblage pilotée par les contraintes. Opter. Express 20, 9415 (2012).

Article ADS PubMed Google Scholar

Gundogdu, TF et al. Simulation et micro-fabrication de résonateurs à anneaux fendus optiquement commutables. Photon. Nanostructure. Fondam. Appl. 5, 106-112 (2007).

Annonces d'article Google Scholar

Okamoto, T., Otsuka, T., Sato, S., Fukuta, T. & Haraguchi, M. Dépendance de la longueur d'onde de résonance LC sur la taille du résonateur à anneau fendu en argent fabriqué par lithographie à la nanosphère. Opter. Express 20, 24059 (2012).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Bouanane, I. et al. Métasurface de nanoanneaux d'argent pour une meilleure absorption aux fréquences optiques. Dans Propriétés photoniques et phononiques des nanostructures techniques XII Vol. 1201003, 16 (eds Adibi, A. et al.) (SPIE, 2022).

Chapitre Google Scholar

Sciacca, B. et al. Nanomotifs monocristallins réalisés par assemblage de nanocubes et épitaxie. Adv. Mater. https://doi.org/10.1002/adma.201701064 (2017).

Article PubMed Google Scholar

Anna Capitaine, BS Epitaxie Nanocube pour la réalisation de surfaces nanophotoniques monocristallines imprimables. Adv. Mater. https://doi.org/10.1002/adma.202200364 (2022).

Article PubMed Google Scholar

Miroshnichenko, AE, Filonov, D., Lukyanchuk, B. & Kivshar, Y. Ordre antiferromagnétique dans les métamatériaux électromagnétiques hybrides. Nouveau J. Phys. 19, 083013 (2017).

Annonces d'article Google Scholar

Kuchmizhak, AA, Gurbatov, SO, Kulchin, YN & Vitrik, OB Excitation en mode plasmon et amélioration de la photoluminescence sur un nanoanneau d'argent. Opter. Commun. 356, 1–6 (2015).

Article ADS CAS Google Scholar

Pellegrini, S. et al. Conception et performances d'un détecteur à diode à avalanche monophotonique InGaAs–InP. IEEE J. Quantum Electron. 42, 397–403 (2006).

Article ADS CAS Google Scholar

Schimpe, R., Bowers, JE & Koch, TL Caractérisation de la réponse en fréquence d'une diode laser InGaAsP DFB de 1,5 μm et d'une photodiode PIN InGaAs par une technique de mesure hétérodyne. Électron. Lett. 22, 453 (1986).

Annonces d'article Google Scholar

Roehle, H. et al. Antennes térahertz 15 µm de nouvelle génération : Mésa-structuration de couches photoconductrices InGaAs/InAlAs. Opter. Express 18, 2296 (2010).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Fahad, S. et al. Progrès récents dans la synthèse des nanofils d'argent et leur rôle en tant que matériaux conducteurs. J. Mater. Sci. 54, 997-1035 (2019).

Article ADS CAS Google Scholar

Kb.lumerical.com. Accueil de la base de connaissances. https://kb.lumerical.com.

Inan, États-Unis et Marshall, RA Électromagnétisme numérique. (2011).

Lee, D.-K. et coll. Nano métamatériaux pour la biodétection térahertz ultrasensible. Sci. Rep. 7, 8146 (2017).

Article ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Pusovnik, A., Aplinc, J. & Ravnik, M. Propriétés optiques des colloïdes nématiques à anneau fendu métamatériaux. Sci. Rep. 9, 7025 (2019).

Article ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Bao, H., Ruan, X. & Fisher, TS Propriétés optiques des réseaux verticaux ordonnés de nanotubes de carbone à parois multiples à partir de simulations FDTD. Opter. Express 18, 6347 (2010).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Ye, J. et al. Fabrication et propriétés optiques des demi-coquilles d'or. J.Phys. Chim. C 113, 3110–3115 (2009).

Article CAS Google Scholar

Arole, VM & Munde, SV Fabrication de nanomatériaux par des approches descendantes et ascendantes - un aperçu. JAASTMaterial Sci. 1, 2–89 (2014).

Google Scholar

Gleiter, H. Matériaux nanocristallins. Matériaux structurels et fonctionnels avancés (Elsevier, 2006). https://doi.org/10.1016/B978-0-08-044697-4.X5013-3.

Réserver Google Scholar

Rempel, AA Nanotechnologies. Propriétés et applications des matériaux nanostructurés. Russe. Chim. Rév. 76, 435–461 (2007).

Article ADS CAS Google Scholar

Chen, Y. Nanofabrication par lithographie par faisceau d'électrons et ses applications : une revue. Microélectron. Ing. 135, 57–72 (2015).

Article CAS Google Scholar

Proust, J. et al. Gravure alcaline chimique de particules de silicium Mie. Adv. Opter. Mater. 3, 1280-1286 (2015).

Article CAS Google Scholar

Broers, AN, Hoole, ACF & Ryan, JM Lithographie par faisceau d'électrons—limites de résolution. Microélectron. Ing. 32, 131-142 (1996).

Article CAS Google Scholar

Pease, RFW Lithographie par faisceau d'électrons. Contemp. Phys. 20, 265–290. https://doi.org/10.1145/1061474.1061478 (1981).

Annonces d'article Google Scholar

Tseng, AA, Chen, K., Chen, CD & Ma, KJ Lithographie par faisceau d'électrons dans la fabrication à l'échelle nanométrique : développement récent. IEEE Trans. Électron. Emballage Fab. 26, 141-149 (2003).

Article CAS Google Scholar

Vieu, C. et al. Lithographie par faisceau d'électrons : Limites de résolution et applications. Appl. Le surf. Sci. 164, 111–117 (2000).

Article ADS CAS Google Scholar

Fedel, M., Zanella, C., Rossi, S. & Deflorian, F. Protection contre la corrosion des réflecteurs revêtus d'argent par couche atomique déposée Al2O3. Sol. Énergie 101, 167–175 (2014).

Article ADS CAS Google Scholar

RoyChoudhury, S., Rawat, V., Jalal, AH, Kale, SN et Bhansali, S. Progrès récents dans les circuits résonateurs à anneau fendu métamatériaux en tant que biocapteurs et agents thérapeutiques. Biosens. Bioélectron. 86, 595–608 (2016).

Article CAS PubMed Google Scholar

Clark, AW, Glidle, A., Cumming, DRS & Cooper, JM Résonateurs plasmoniques à anneau fendu en tant que biocapteurs dichroïques d'ADN nanophotonique. Confiture. Chim. Soc. 131, 17615–17619 (2009).

Article CAS PubMed Google Scholar

Refractiveindex.info. Indice de réfraction de Ag (Silver)-Johnson. https://refractiveindex.info/?shelf=main&book=Ag&page=Johnson.

Indice de réfraction. Indice de réfraction du BSL (verre)-Ohara. https://refractiveindex.info/?shelf=glass&book=OHARA-BSL&page=BSL22.

Prithu, R. et al. Empêcher la corrosion de l'aluminium métallique avec des films nanométriques d'Al2O3 coiffés de TiO2 pour la plasmonique ultraviolette. ACS Appl. Nano-matière. 4, 7199–7205 (2021).

Article Google Scholar

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Aix Marseille University, Université de Toulon, CNRS, IM2NP, Marseille, France

I. Bouanane, D. Duché, L. Escoubas & J. Le Rouzo

Thales LAS France SAS, Élancourt, France

I. Bouanane & G. Berginc

Aix Marseille Université, CNRS, CINAM, AMUTECH, Marseille, France

F. Bedu, I. Ozerov, B. Sciacca, L. Santinacci & O. Margeat

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IB a effectué les calculs numériques, la fabrication de l'échantillon, la caractérisation de l'appareil et édité le manuscrit. FB et IO ont terminé la fabrication de l'échantillon. LS a réalisé le dépôt d'Al2O3. GB, LE, JLR et OM ont initié l'idée et supervisé le projet. GB a financé la recherche grâce à la subvention THALES LAS. IB a rédigé le manuscrit avec la contribution de tous les auteurs fournissant un soutien scientifique.

Correspondance à I. Bouanane.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Bouanane, I., Bedu, F., Ozerov, I. et al. Conception d'un absorbeur optique infrarouge à l'aide d'un réseau de nano-anneaux d'argent réalisé par un processus descendant. Sci Rep 13, 7770 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34579-w

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Reçu : 17 février 2023

Accepté : 02 mai 2023

Publié: 12 mai 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-34579-w

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