Nanoantenne optique. Crédit :Chercheurs du MIPT et de l'Université ITMO
Une antenne est un appareil capable de transmettre efficacement, ramasser, et rediriger le rayonnement électromagnétique. Typiquement, les antennes sont des dispositifs macroscopiques fonctionnant dans la gamme radio et micro-ondes. Cependant, il existe des dispositifs optiques similaires (Fig. 1). Les longueurs d'onde de la lumière visible s'élèvent à plusieurs centaines de nanomètres. En conséquence, les antennes optiques sont, par nécessité, appareils nanométriques. Nanoantennes optiques, qui peut se concentrer, direct, et transmettre efficacement la lumière, ont un large éventail d'applications, y compris la transmission d'informations sur des canaux optiques, photodétection, microscopie, technologie biomédicale, et même accélérer les réactions chimiques.
Pour qu'une antenne capte et transmette efficacement les signaux, ses éléments doivent être résonnants. Dans la bande radio, ces éléments sont des morceaux de fil. Dans la gamme optique, des nanoparticules d'argent et d'or à résonances plasmoniques (Fig. 2a) sont utilisées depuis longtemps à cette fin. Les champs électromagnétiques dans de telles particules peuvent être localisés à une échelle de 10 nanomètres ou moins, mais la majeure partie de l'énergie du champ est gaspillée en raison du chauffage Joule du métal conducteur. Les particules de matériaux diélectriques tels que le silicium avec des indices de réfraction élevés aux fréquences de la lumière visible constituent une nouvelle alternative aux nanoparticules plasmoniques. Lorsque la taille de la particule diélectrique et la longueur d'onde de la lumière sont justes, la particule supporte des résonances optiques appelées résonances de Mie (Fig. 2b). Parce que les propriétés matérielles des diélectriques sont différentes de celles des métaux, il est possible de réduire considérablement le chauffage résistif en remplaçant les nanoantennes plasmoniques par des analogues diélectriques.
La caractéristique clé d'un matériau déterminant les paramètres de résonance de Mie est l'indice de réfraction. Les particules constituées de matériaux à indices de réfraction élevés ont des résonances caractérisées par des facteurs de qualité élevés. Cela signifie que dans ces matériaux, les oscillations électromagnétiques durent plus longtemps sans excitation externe. En outre, des indices de réfraction plus élevés correspondent à des diamètres de particules plus petits, permettant des dispositifs optiques miniatures. Ces facteurs font des matériaux à indice élevé, c'est-à-dire ceux avec des indices de réfraction élevés - plus adaptés à la mise en œuvre de nanoantennes diélectriques.
Résonances optiques dans les nanoparticules plasmoniques (a) et diélectriques (b). Crédit :MIPT
Dans leur article publié en Optique , les chercheurs examinent systématiquement les matériaux à haut indice disponibles en fonction de leurs résonances dans les gammes spectrales visible et infrarouge. Les matériaux de ce type comprennent les semi-conducteurs et les cristaux polaires comme le carbure de silicium. Pour illustrer le comportement de divers matériaux, les auteurs présentent leurs facteurs de qualité associés, qui indiquent à quelle vitesse les oscillations excitées par la lumière incidente s'éteignent. L'analyse théorique a permis aux chercheurs d'identifier le silicium cristallin comme le meilleur matériau disponible pour la réalisation d'antennes diélectriques fonctionnant dans le domaine visible. Le germanium a surpassé les autres matériaux dans la bande infrarouge. Dans la partie infrarouge moyen du spectre, un composé de germanium et de tellure est le plus performant (Fig. 3).
Il existe des limites fondamentales à la valeur du facteur de qualité. Il s'avère que des indices de réfraction élevés dans les semi-conducteurs sont associés à des transitions interbandes d'électrons, qui entraînent inévitablement l'absorption d'énergie transportée par la lumière incidente. Cette absorption entraîne à son tour une réduction du facteur de qualité, ainsi que le chauffage, dont les chercheurs tentent de se débarrasser. Il y a, donc, un équilibre délicat entre un indice de réfraction élevé et une perte d'énergie.
"Cette étude offre l'image la plus complète des matériaux à indice élevé, montrant laquelle d'entre elles est optimale pour fabriquer une nanoantenne fonctionnant dans cette gamme spectrale, et parce qu'il fournit une analyse des processus de fabrication impliqués, " dit Dmitri Zuev, chercheur au laboratoire des métamatériaux de la Faculté de Physique et d'Ingénierie, Université ITMO. « Cela nous permet de sélectionner un matériau, ainsi que la technique de fabrication souhaitée, compte tenu des exigences imposées par leur situation particulière. Il s'agit d'un outil puissant qui fait progresser la conception et la réalisation expérimentale d'une large gamme de dispositifs nanophotoniques diélectriques."
Comparaison de divers matériaux à indice élevé en fonction de leurs facteurs de qualité, qui reflètent le temps qu'il faut pour que la résonance Mie de la particule s'estompe. Des facteurs Q plus élevés indiquent des temps d'évanouissement plus longs et un comportement de résonance plus prononcé de la particule. Image reproduite avec l'aimable autorisation des auteurs de l'article. Crédit :MIPT et Université ITMO
Selon l'aperçu des techniques de fabrication, silicium, germanium, et l'arséniure de gallium sont les diélectriques à indice élevé les plus étudiés utilisés en nanophotonique. Une large gamme de procédés est disponible pour fabriquer des nanoantennes résonantes à base de ces matériaux, y compris lithographique, chimique, et les méthodes assistées par laser. Cependant, dans le cas de certains matériaux, aucune technologie de fabrication de nanoparticules résonantes n'a été développée. Par exemple, les chercheurs doivent encore trouver des moyens de fabriquer des nanoantennes à partir de tellurure de germanium, dont les propriétés dans l'infrarouge moyen ont été jugées les plus intéressantes par l'analyse théorique.
"Le silicium est actuellement, hors de tout doute, le matériau le plus utilisé dans la fabrication de nanoantennes diélectriques, " dit Denis Baranov, un doctorat étudiant au MIPT. "C'est abordable, et les techniques de fabrication à base de silicium sont bien établies. Aussi, et c'est important, il est compatible avec la technologie CMOS, une norme de l'industrie dans l'ingénierie des semi-conducteurs. Mais le silicium n'est pas la seule option. D'autres matériaux avec des indices de réfraction encore plus élevés dans la gamme optique peuvent exister. S'ils sont découverts, cela signifierait une excellente nouvelle pour la nanophotonique diélectrique."
Les résultats de la recherche obtenus par l'équipe pourraient être utilisés par les ingénieurs en nanophotonique pour développer de nouvelles nanoantennes résonantes basées sur des matériaux diélectriques à indice élevé. En outre, l'article suggère d'autres travaux théoriques et expérimentaux consacrés à la recherche d'autres matériaux à indice élevé avec des propriétés supérieures à utiliser dans de nouvelles nanoantennes diélectriques améliorées. De tels matériaux pourraient, entre autres, être utilisé pour augmenter considérablement l'efficacité du refroidissement radiatif des cellules solaires, ce qui constituerait une avancée technologique importante.
