Physique des Dispositifs > Dispositifs plasmoniques et nanophotoniques
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Les Plasmons-Polaritons de Surface (SPP) sont des ondes de surface confinées le long d'une interface métal/diélectrique, et qui ont pour origine les interactions entre la lumière et les électrons libres près de la surface du métal. Avec les avancées récentes en nanofabrication, les propriétés optiques des métaux structurés à l'échelle nanométrique ont permis l'émergence de nouveaux matériaux : les structures plasmoniques, qui permettent de contrôler le confinement et la propagation de la lumière au-delà de la limite de diffraction, et les métamatériaux, matériaux artificiels qui ouvrent la voie à une ingénierie des indices de réfraction (positifs, négatifs, anisotropes,...). Ils offrent de nouvelles possibilités pour manipuler la lumière, et peuvent être intégrés dans de nouveaux dispositifs photovoltaïques ou optoélectroniques, ou pour l'instrumentation infrarouge. Notre objectif est d'étudier les propriétés fondamentales de nanostructures métalliques et métal/semiconducteur, et de concevoir, fabriquer et valider de nouveaux dispositifs pour l'absorption, la propagation et l'émission de lumière dans le domaine infrarouge (proche, moyen et lointain). |
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Un film métallique percé d'un réseau (1D ou 2D) d'ouvertures sub-longueur d'onde joue le rôle d'un cristal plasmonique, les ouvertures permettant le couplage entre les plasmons de surface. Les courbes de dispersion de cristaux plasmoniques 1D et 2D ont été caractérisées par des mesures de transmission optique à haute résolution, et comparées aux résultats numériques. Ces études révèlent de nouvelles propriétés des cristaux plasmoniques 2D anisotropes et des guides plasmoniques nanostructurés 1D. |
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Cristaux plasmoniques 2D anisotropes
Un couplage entre des modes se propageant dans des directions quasiment orthogonales (ils forment ici un angle de 77°) a été mis en évidence dans un film d'or percé d'un réseau rectangulaire de trous. Ce couplage induit un band gap étroit avec un vecteur d'onde non nul, avec un mode couplé présentant une faible vitesse de groupe et un fort couplage radiatif. Nous montrons que la position du gap dans l'espace (ω,k) peut être ajustée à volonté en changeant les périodes du réseau. |
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Guides d'onde plasmoniques nanostructurés: vers un contrôle des pertes radiatives et non radiatives
Nous montrons que l'émission radiative peut être exaltée ou inhibée dans des guides d'onde plasmoniques nanostructurés fins à l'aide d'une faible modification de l'indice de réfraction du substrat (δn/n~1%). Cette propriété permet un contrôle du régime de propagation des plasmons de surface le long de l'interface air/métal (un régime faible perte, et un régime radiatif). |
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Modes de surface sur un métal structuré (collab. Christophe Sauvan et Philippe Lalanne (LCFIO))
Nous avons dévelopé un modèle analytique fournissant des expressions simples pour la relation de dispersion d'un mode de surface se propageant à l'interface entre un diélectrique et un métal percé d'un réseau d'ouvertures sub-longueur d'onde. |
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Confinement et absorption efficaces de la lumière dans des nanostructures MSM (photodétecteurs, photovoltaïque,...)
Nous avons proposé de nouveaux concepts pour absorber efficacement la lumière dans des structures métal-semiconducteur-métal nanométriques. Ces concepts ont été étudiés théoriquement et expérimentalement, permettant la première démonstration théorique et expérimentale d'une absorption efficace (10-15%) dans des fils de GaAs nanométriques (40nm x 100nm). |
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Filtres passe-bandes pour le moyen infrarouge (collab. R. Haïdar (ONERA/DOTA))
Nous avons mis au point la fabrication de membranes diélectriques et métalliques percées de grandes surfaces. Des réseaux métalliques suspendus ont été conçus et fabriqués pour le filtrage optique dans le moyen infrarouge. Une transmission résonante très élevée est obtenue dans ces structures (>90%), démontrant leur potentialité pour la réalisation de filtres optiques passe-bandes efficaces et à largeur spectrale variable. |
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Sources optiques directionnelles par excitation de plasmons de surface |
Optique diffractive large-bande |
Cavités 1D couplées (or) |
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Collab. François Marquier, Marine Laroche et Jean-Jacques Greffet (LCFIO) |
Collab. Philippe Lalanne (LCFIO), Mane-Si-Laure Lee et Brigitte Loiseaux (TRT) |
Collab. Aude Barbara et Pascal Quémerais (Institut Néel) |
Notre travail est basé sur le développement de nouveaux outils pour la fabrication d'échantillons, la mesure et la modélisation électromagnétique.
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Procédés de fabrication originaux
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Mesures de réflexion et transmission (0.5-16μm, 0°-270°) avec une résolution angulaire et spectrale de 0.3° et 0.5 cm-1. |
Modèles électromagnétiques Nous développons de nouveaux outils utilisant une formulation rigoureuse des équations de Maxwell (expressions topologiques de E, B, D, H) repoussant les approximations numériques sur les seules équations constitutives entres (E, B) et (D, H). |
Faits Marquants
- Hyperfocalisation et tri des photons (2011-12-13)
Thème(s) : Composants microélectroniques et photoniques- Hyperfocalisation par interférence magnétoélectrique (2011-08-24)
Thème(s) : Composants microélectroniques et photoniques- Concentration de la lumière dans des nanorésonateurs plasmoniques (2011-05-12)
Thème(s) : Composants microélectroniques et photoniques
MembresContacts
Collin Stéphane (+33) 1 69 63 61 45 Pardo Fabrice (+33) 1 69 63 61 48 Pelouard Jean-Luc (+33) 1 69 63 61 47 Et aussi...
Bardou Nathalie (+33) 1 69 63 61 43 Cambril Edmond (+33) 1 69 63 60 67 Dupuis Christophe (+33) 1 69 63 61 42 Ferlazzo Laurence (+33) 1 69 63 60 70 Lemaître Aristide (+33) 1 69 63 60 72 Ghenuche Petru (+33) 1 69 63 61 10 Cattoni Andrea (+33) 1 69 63 60 48 Vassant Simon (+33) 1 69 63 63 01 Portier Benjamin (+33) 1 69 63 62 47 Sakat Émilie (+33) 1 69 63 63 53 Tuambilangana Christelle (+33) 1 69 63 63 53 Vincent Grégory (+33) 1 69 63 61 58 Bouchon Patrick (+33) 1 69 63 63 00
Brevets
Publications
Contrats et projets
Projets Incitatifs du Ministère de la Recherche
Autres Projets Nationaux
Propositions de stagesThèse
- Cellules solaires plasmoniques nanostructurées
Date de début de l'offre : 2011-10-01
Thème : Composants microélectroniques et photoniques (CMEP)
Contact : S. Collin
Groupe : Physique des Dispositifs (PHYDIS)
En savoir plus
Next generation solar cells will require optical management at the sub-wavelength scale. In this regime, conventional light trapping techniques based on anti-reflection coatings and scattering structures are no more valid/useful. Novel designs will need a joined effort of the material science and nanophotonics communities. Plasmonics is one of the more promising tool for the design of nanoscale photovoltaic devices.In the ANR-ULTRACIS program, several very promising structures have already been designed by (electromagnetic) numerical modeling. According to this work, our ambitious objective (>10% efficiency solar cells with <100nm-thick absorbers) seems achievable. These structures should provide a significant breakthrough in the optical design of next generation solar cells, with a twenty-fold decrease of the thickness of direct-bandgap absorbers.The goal of this project is to demonstrate the strong potential of plasmonic nanostructures for efficient light harvesting in nanoscale solar cells. The candidate will carry out the fabrication and characterization of nanostructured solar cells. The first task will be to develop the fabrication process in clean room. The new concepts for light confinement will be first demonstrated with III-V semiconductor absorbers, using well-known fabrication techniques. At the same time, the candidate will develop specific fabrication processes for the fabrication of low-cost, ultra-thin CuInGaSe solar cells. Full characterization of the devices (spectral and angular response, photocurrent, efficiency) will be carried out.Stage
- Vers des cellules solaires ultra-fines
Date de début de l'offre : 2011-10-01
Niveau : Master2
Thème : Composants microélectroniques et photoniques (CMEP)
Contact : S. Collin
Groupe : Physique des Dispositifs (PHYDIS)
Les cellules solaires connaissent un essor considérable depuis quelques années, autant dans le domaine de la recherche que sur le plan industriel. Les différentes générations de cellules solaires ont été marquées par une diminution continue de l'épaisseur de la couche absorbante, allant de quelques centaines de microns dans le cas de structures en silicium, à 2-3 μm dans le cas des cellules à couches minces utilisant un semi-conducteur à gap direct (CdTe, CuInGaSe, a-Si,...). Pour dépasser les limitations actuelles en terme d'efficacité et de coûts, la prochaine génération de cellules solaires doit mettre en œuvre des couches absorbantes dont l'épaisseur est inférieure à la longueur d'onde (50 à 200 nm). Dans ce régime sub-longueur d'onde, de nouvelles techniques doivent être développées pour capturer la lumière et ainsi conserver une bonne efficacité de conversion tout en réduisant l'épaisseur de la couche active. Le groupe PHYDIS (Physique des Dispositifs) du LPN (Laboratoire de Photonique et de Nanostructures) au sein duquel le stagiaire travaillera a développé une activité autour de l'utilisation de nanostructures plasmoniques pour la conception de cellules solaires ultra-fines (<100 nm) et efficaces. Nous avons montré que l'intégration de couches métalliques nanostructurées permet une très forte augmentation de l'absorption des photons incidents, sur une large gamme spectrale. L'épaisseur de la couche d'absorbeur peut ainsi être réduite d'au moins un ordre de grandeur par rapport à l'état de l'art. Ce résultat ouvre de nombreuses perspectives d'applications. La conception de cellules solaires avec une couche active ultra-fine soulève également des questions quant au transport électronique dans une jonction d'épaisseur aussi faible. Un des problèmes posés est donc de savoir si la réduction de l'épaisseur de la cellule ne se fait pas au détriment de la collection des porteurs photogénérés . Pour l’instant, il existe peu de travaux sur l'étude du mécanisme de transport électronique à cette échelle. Les objectifs de ce stage seront donc de caractériser électriquement des jonctions p-i-n dites ultra-fines (mesures I-V sous micro-pointes, à l'obscurité et sous éclairement), d'élaborer un modèle théorique pour expliquer le comportement de ces jonctions et finalement de simuler le comportement électrique de cellules solaires ultra-fines avec le logiciel SCAPS. Il s'agira de travailler sur différents matériaux utilisés dans l'équipe tels que les semi-conducteurs III-V (GaAs, InP...) ou le silicium amorphe (a-Si:H). Ce stage permettra également au candidat de se familiariser avec les différentes techniques de nanofabrication en salle blanche ainsi que de développer des compétences autour des techniques de caractérisation structurale (microscopie électronique). Ce stage pourra être poursuivi par une thèse dont l'objectif sera d'appliquer ce travail préliminaire aux cellules solaires nanostructurées développées dans le groupe. Ce travail se déroulera dans le cadre des collaborations au sein de la Fédération Photovoltaïque Ile de France.
Stages passés et en coursPost-doctorat
- Réalisation et étude par transmission/réflexion de nanostructures métal-diélectrique membranaires pour la nanophotonique
P. Ghenuche-(En cours depuis 2009-01-01)
Thème : Composants microélectroniques et photoniques (CMEP)
Contact : S. Collin
Groupe : Physique des Dispositifs (PHYDIS)
Thèse
- Ingénierie d'indices optiques à base de nanostructures métalliques 2D
B. Portier-(En cours depuis 2010-10-01)
Thème : Composants microélectroniques et photoniques (CMEP)
Contact : F. Pardo
Groupe : Physique des Dispositifs (PHYDIS)
- Ingénierie d'indices optiques à base de nanostructures métalliques
P. Bouchon-(2008-10-01 / 2011-09-30)
Thème : Composants microélectroniques et photoniques (CMEP)
Contact : F. Pardo
Groupe : Physique des Dispositifs (PHYDIS)
Stage
- Système de type prisme de Wollaston basé sur des structures sublambda
Q. Lévesque-(2011-03-01 / 2011-07-31)
Niveau : Master2
Thème : Composants microélectroniques et photoniques (CMEP)
Contact : F. Pardo
Groupe : Physique des Dispositifs (PHYDIS)
- Réflexion en bord de MIM
G. Papaiz-Garbini-(2010-04-05 / 2010-07-05)
Niveau : Master1
Thème : Composants microélectroniques et photoniques (CMEP)
Contact : F. Pardo
Groupe : Physique des Dispositifs (PHYDIS)
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Mis à jour le 27/01/2012 |
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