Champ localisé calculé (à gauche) et distribution de température (à droite) de la structure nano-papillon. Crédit :Fujiwara H., et al, Nano lettres. 23 décembre 2019
Un papillon d'or à l'échelle nanométrique fournit un itinéraire plus précis pour la croissance/synthèse de semi-conducteurs de taille nanométrique qui peuvent être utilisés dans des nano-lasers et d'autres applications.
Des chercheurs de l'Université d'Hokkaido ont mis au point une approche unique pour fabriquer des semi-conducteurs nanométriques sur une surface métallique. Les détails de la méthode ont été rapportés dans le journal Lettres nano et pourrait poursuivre les recherches sur la fabrication d'émetteurs nanométriques de lumière et d'énergie.
L'approche, développé par l'Institut de recherche en sciences électroniques de l'Université d'Hokkaido et l'Université de Hokkai-Gakuen, consiste à générer de la chaleur localisée sur une nanoparticule d'or au sein d'une nanostructure en forme de papillon. La chaleur provoque une synthèse hydrothermale dans laquelle l'oxyde de zinc semi-conducteur cristallise sur la nanoparticule d'or.
Les scientifiques ont étudié des moyens de placer soigneusement des semi-conducteurs de taille nanométrique sur des particules métalliques pour les utiliser dans le nano-lasing et la nano-lithographie, par exemple. Mais les méthodes actuelles manquent de précision ou sont trop coûteuses.
L'approche développée par l'équipe japonaise permet de surmonter ces problèmes.
L'équipe a d'abord mené des simulations pour déterminer les conditions optimales pour contrôler avec précision la génération de chaleur dans les nanostructures. Ils ont utilisé un phénomène appelé résonance plasmonique de surface, un processus qui convertit en partie la lumière en chaleur dans les matériaux métalliques.
Images au microscope électronique à balayage de la structure du nano-papillon avant (à gauche) et après (à droite) l'irradiation laser. L'oxyde de zinc semi-conducteur s'est cristallisé à la surface de la nanotige d'or. Crédit :Fujiwara H., et al, Nano lettres. 23 décembre 2019
D'après les simulations, une nanostructure en forme de papillon constituée de deux particules d'or en forme de losange placées de part et d'autre d'une nanotige d'or conduirait à des conditions optimales. Dans ce système, la nanotige, ou le corps du papillon, fonctionne comme un nanochauffage utilisant une lumière polarisée spécifique. Après avoir tourné la polarisation de la lumière de 90 degrés, les particules de losange, ou les ailes du papillon, devrait fonctionner comme une antenne pour recueillir la lumière à des points inférieurs à la longueur d'onde dans la peau semi-conductrice du papillon.
Pour tester cette théorie, ils ont fabriqué le papillon en or et l'ont placé dans l'eau à l'intérieur d'une chambre en verre. Une solution composée à parts égales de nitrate de zinc hexahydraté et d'hexaméthylène tétramine a été ajoutée à la chambre, qui a ensuite été scellé et placé sur une platine microscopique. Lorsque la lumière laser a été dirigée sur le système à l'intérieur de la chambre, la nanotige s'est réchauffée et des particules d'oxyde de zinc semi-conducteur se sont cristallisées le long de sa surface comme prévu.
Cela a démontré que la nano-antenne en or en forme de papillon peut contrôler avec précision où se produit la synthèse hydrothermale assistée par plasmon, permettant ainsi la formation localisée de semi-conducteurs de taille nanométrique.
"Des recherches supplémentaires devraient conduire au développement de puissantes sources lumineuses de taille nanométrique, dispositifs de conversion photoélectrique très efficaces, et photocatalyseurs, ", déclare Keiji Sasaki de l'équipe de recherche de l'Université d'Hokkaido. "Cela pourrait également conduire à des applications dans l'électronique des semi-conducteurs et le traitement de l'information quantique optique."
