Nanostructures de ZnO dopées Ga pour la plasmonique IR accordable – GaZON

L’utilisation d’excitations collectives de gaz d’électrons dans les métaux, à savoir les plasmons, a représenté une percée majeure pour la conception de nano-systèmes dans de nombreux domaines, allant de l’optique à la biologie. La forte exaltation locale du champ électrique autour d’un objet plasmonique a été utilisée pour accroitre l’intensité d’émission de nombreux émetteurs lumineux ou la section de diffusion de nano-objets. Ceci a été bénéfique à l’imagerie optique (pour les marqueurs biologiques, par exemple) et a aussi ouvert la voie à la conception de métamatériaux et systèmes pour l’optique de transformation. L’exaltation du champ électromagnétique local a été aussi exploitée pour améliorer la sensibilité de spectroscopies optiques spécifiques, telle que la diffusion Raman de surface exaltée.
Cependant, la plupart des progrès cités ci-dessus ont tiré parti des plasmons de nanoparticules de métaux nobles et plus particulièrement de l’or et de l’argent. Le choix de ces matériaux limite l’intérêt de la plasmonique aux ondes électromagnétiques du domaine visible. Un autre défi important en plasmonique concerne les fortes pertes dans les nanoparticules métalliques. En outre, les métaux nobles tels que l’or et l’argent sont peu compatibles avec les technologies conventionnelles de l’industrie du Si.
Il y a un intérêt majeur à étendre les propriétés spectaculaires des nano-objets plasmoniques à la gamme de l’infra-rouge (IR). Premièrement, le moyen IR, correspondant à des longueurs d’onde approximativement de 3 à 30 µm, est le domaine où la plupart des molécules chimiques ont une signature spectroscopique. Deuxièmement, le proche IR, quant à lui correspond aux longueurs d’ondes proches de 1,5 µm et donc à la gamme des télécommunications. Par conséquent, il y a un bénéfice évident à contrôler l’intensité du champ électromagnétique et sa localisation à l’échelle nanométrique à ses longueurs d’onde : il serait possible d’améliorer le couplage de la lumière avec les vibrations de molécules et les signaux télécom respectivement et ainsi concevoir des détecteurs optiques de grande sensibilité.
Un champ d’étude récent et en pleine expansion concerne le développement de nanomatériaux permettant l’accord de la résonance plasmon par la concentration du gaz d’électrons. Les semiconducteurs dégénérés sont particulièrement désignés pour cette tâche. Parmi ceux-ci, le ZnO dopé Ga (GZO) apparait être un candidat extrêmement intéressant.
Dans ce projet, nous ambitionnons le développement de nanostructures à base de GZO avec un plasmon IR accordable. Si la démonstration du potentiel de GZO pour la plasmonique IR a été faite récemment en utilisant des films minces ou des nanoparticules, il reste encore beaucoup à établir pour les systèmes de basse dimensionnalité (nanofils et nanoparticules). Deux questions principales doivent être résolues : premièrement, quelle est la gamme maximale d’accordabilité possible pour le plasmon IR ? En d’autres termes, quelles sont les limites (basses et hautes) au dopage permises dans les nano-objets ? Ensuite, quels facteurs contrôlent les pertes ? En effet, il a été observé d’une part que tous les dopants ne contribuent pas au plasmon et d’autre part que les résonances plasmon sont plus larges donc plus sujettes aux pertes, qu’attendu. Notre objectif est de répondre à ces deux questions pour concevoir des nano-objets plasmoniques efficaces ayant un plasmon IR accordable.
Ce projet, basé sur de nouvelles nanostructures de ZnO dégénérées, permettra le développement de la nano-plasmonique IR accordable. Pour ce domaine de longueurs d’onde, il y a peu d’alternative compétitive permettant l’accord du plasmon (par la composition, la taille, la forme…). Le présent projet n’est pas un développement incrémental de technologies existantes. Il présente au contraire un potentiel d’avancée à forte valeur ajoutée.