La nanophotonique examine comment la lumière et la matière à l'échelle nanométrique interagissent les unes avec les autres, les découvertes sur le terrain étant importantes pour les techniques de nanofabrication et dans les futurs dispositifs photoniques. Jusque récemment, les nanoparticules métalliques ont été principalement utilisées dans les dispositifs nanophotoniques. De nos jours cependant, des matériaux semi-conducteurs tels que le silicium sont envisagés pour les nanoparticules.

Des chercheurs de l'Université de technologie d'Eindhoven (TU/e) et de l'Université de Kyoto ont publié deux articles clés sur les configurations nanophotoniques à base de silicium. A l'occasion de la Journée internationale de la lumière 2020, un papier, publié dans la revue ACS Photonique , a été sélectionné comme l'un des meilleurs articles dans le domaine de la photonique au cours de la dernière année.

Le domaine de la nanophotonique considère l'interaction des nanoparticules avec la lumière lorsque la taille des nanoparticules est approximativement la même que la longueur d'onde de la lumière. Le contrôle de cette réponse dite résonante peut avoir des implications positives pour le développement de nouvelles techniques de nanofabrication et pour des applications pratiques telles que l'amélioration de l'efficacité des cellules solaires et des LED et des sensibilités des photodétecteurs.

Focus déplacé vers le silicium

Historiquement, la communauté nanophotonique a employé des nanoparticules métalliques, où les charges libres dans les particules oscillent après interaction avec le champ électrique de l'onde électromagnétique entrante (lumière). Dans les années récentes, l'accent s'est déplacé vers les nanoparticules fabriquées à partir de matériaux semi-conducteurs, comme le silicium, où la lumière interagit avec les électrons liés à l'atome, contrairement aux frais gratuits. Quant aux nanoparticules métalliques, les interactions entre la lumière et les nanoparticules semi-conductrices peuvent manifester une réponse oscillatoire ou résonante.

Chercheurs de l'Institut d'intégration photonique (IPI) et du Département de physique appliquée dirigé par le professeur Jaime Gómez Rivas, en collaboration avec l'Université de Kyoto, étudient activement l'utilisation de la nanostructure semi-conductrice pour la nanophotonique. Récemment, ils ont publié deux découvertes clés dans les revues Matériaux optiques avancés et ACS Photonique .

Couplage fort entre les matériaux organiques et les nanoparticules de silicium

Une nouvelle piste de recherche concerne le régime de couplage fort, où les interactions entre la lumière et les matériaux nanoparticulaires sont suffisamment fortes pour modifier les propriétés fondamentales du matériau. En réalité, il en résulte une hybridation où la matière assume certaines propriétés de la lumière et la lumière prend certaines des propriétés de la matière. Lorsque des matériaux organiques sont utilisés dans des dispositifs optoélectroniques, un problème clé est la dégradation des matériaux lorsqu'ils sont éclairés et la courte distance sur laquelle les charges peuvent se propager. Un couplage fort permettrait de limiter ces effets négatifs.

Dans leur premier article, qui est publié dans ACS Photonique , Gabriel Castellanos et ses collaborateurs ont réalisé un couplage fort pour les oscillations électriques et magnétiques entre les matériaux organiques et les réseaux de nanoparticules de silicium polycristallin. Cette découverte ouvre la voie à l'utilisation de matériaux à base de silicium dans des dispositifs organiques optoélectroniques, ce qui pourrait conduire à des performances accrues. A l'occasion de la Journée internationale de la lumière (16 mai 2020), cet article a été sélectionné par la revue ACS Photonique , qui est publié par l'American Chemical Society, comme l'un des 24 articles les plus pertinents dans le domaine de la photonique entre mai 2019 et mai 2020.

Émission de lumière améliorée

Dans le deuxième article, Shunsuke Murai et ses collègues ont démontré que des réseaux réguliers de nanoparticules de silicium polycristallin (de différentes formes et tailles) qui se couplent les uns aux autres peuvent isoler les oscillations électriques et magnétiques. Par conséquent, lorsque les molécules de colorant sont proches des réseaux, un couplage plus fort entre les molécules de colorant et les matrices de nanoparticules de silicium entraîne une émission de lumière améliorée par les molécules. Par exemple, une augmentation de 20 fois est observée dans certaines directions lorsqu'elle est couplée au champ électrique de réseaux de nanoparticules, tandis qu'une amélioration quintuple se produit lorsqu'il y a un couplage avec le champ magnétique. Cela peut avoir des implications pour la conception des futures LED.