L'alignement de nanoparticules d'or dans des tranchées étroites creusées dans un substrat d'or a permis aux chercheurs d'A*STAR d'améliorer considérablement un effet optique qui double la fréquence de la lumière incidente1. Cette approche pourrait aider à produire des dispositifs miniatures « sur puce » qui convertissent la fréquence de la lumière.

Nanoparticules de métaux, comme l'or, agissent comme des antennes miniatures pour la lumière, concentrer le champ électromagnétique de la lumière incidente. Cette intensification de champ pourrait être exploitée pour amplifier les effets optiques non linéaires, qui ne se produisent que dans des champs très forts.

L'un de ces effets non linéaires est la génération de seconde harmonique (SHG), dans lequel deux photons entrants avec la même fréquence se combinent pour former un photon avec deux fois la fréquence. Considérations de symétrie, cependant, empêcher SHG de se produire à l'intérieur d'une structure en or ; il ne peut se produire que sur une surface d'or. Cette limitation a déjà entravé l'utilisation de nanoparticules d'or pour SHG.

Maintenant, Joel Yang et Zhaogang Dong de l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux A*STAR et leurs collègues ont résolu ce problème en produisant des structures en or dans lesquelles des nanoparticules d'or d'environ 8 nanomètres de diamètre recouvertes d'un composé organique sont comprimées dans des nanoparticules de 12 nanomètres. larges tranchées. Cela crée des espaces d'environ deux nanomètres de large de chaque côté des nanoparticules (voir image). Ces minuscules lacunes ont une double fonction :à la fois augmenter l'amélioration du champ des nanoparticules et augmenter l'interaction de la lumière avec la surface de l'or.

La mise en valeur est bluffante. La combinaison de ces deux effets augmente SHG de plus de 4, 000 fois par rapport au moment où les mêmes nanoparticules d'or sont entassées sur un substrat d'or plat. "Cette amélioration de SHG est l'une des plus élevées jamais rapportées, " note Yang.

L'équipe réalise les structures en deux étapes; ils ont utilisé un processus de lithographie « de haut en bas » pour créer les tranchées, puis un auto-assemblage « de bas en haut » pour déposer les nanoparticules dans les tranchées. Surtout, les deux processus sont évolutifs, afin que les structures puissent potentiellement être fabriquées à une échelle commercialement viable.

Alors que les cristaux non linéaires conventionnels qui effectuent SHG dans leurs intérieurs ont encore des rendements de conversion plus élevés, la petite taille des nanostructures les rend très attractives pour réaliser des SHG à très petites échelles, y compris les dispositifs qui peuvent être intégrés dans des puces. Yang note qu'il y a beaucoup de possibilités d'optimisation. "Il y a beaucoup de place pour l'amélioration, notamment pour réaliser SHG dans un format miniaturisé, " il dit.

Les chercheurs explorent l'utilisation d'autres matériaux pour obtenir des améliorations SHG encore plus élevées. Ils sont également en liaison avec une société basée à Singapour en vue de commercialiser la technique à l'avenir.