En bouleversant un processus de fabrication traditionnel en laboratoire, les chercheurs de l’Université Duke ont considérablement élargi les capacités des métasurfaces de manipulation de la lumière tout en les rendant beaucoup plus robustes contre les éléments.
La combinaison pourrait permettre à ces appareils à maturation rapide d’être utilisés dans un large éventail d’applications pratiques, telles que des caméras qui capturent des images dans un large spectre de lumière en un seul instant.
Les résultats paraissent en ligne le 1er juillet dans le journal Nano-lettres.
La plasmonique est une technologie qui piège essentiellement l’énergie de la lumière dans des groupes d’électrons oscillant ensemble sur une surface métallique. Cela crée un champ électromagnétique petit mais puissant qui interagit avec la lumière entrante.
Traditionnellement, ces groupes d’électrons, appelés plasmons, ont été excités à la surface de nanocubes métalliques. En contrôlant la taille des nanocubes et leur espacement les uns des autres ainsi que la base métallique en dessous, le système peut être réglé pour absorber des longueurs d’onde spécifiques de la lumière.
Ces métasurfaces dites plasmoniques sont constituées de trois couches : une base métallique recouverte d’un substrat transparent nanométrique surmonté de nanocubes d’argent. Bien que cette configuration ait bien fonctionné pour les démonstrations en laboratoire, elle laisse peu de place à la créativité. Étant donné qu’une zone de la nanoparticule doit se trouver à quelques nanomètres de la surface métallique en dessous, les chercheurs ne pouvaient pas utiliser une grande variété de formes.
Pour contourner ce besoin de planéité, Maiken Mikkelsen, professeure associée de génie électrique et informatique James N. et Elizabeth H. Barton à Duke, et son équipe ont décidé d’essayer de placer chaque nanoparticule dans sa propre fossette ou puits. Cela entourerait toute la moitié inférieure des nanoparticules avec du métal, permettant aux côtés d’héberger des plasmons ainsi que les fonds. Mais à cause des tolérances incroyablement serrées, c’est plus facile à dire qu’à faire.
« Nous devons contrôler certaines dimensions avec une précision d’un nanomètre sur la surface d’une plaquette de la taille d’un centimètre », a déclaré Mikkelsen. « C’est comme essayer de contrôler l’épaisseur des brins d’herbe sur un terrain de football. »
Pour relever ce défi, Mikkelsen et son laboratoire ont essentiellement bouleversé le processus de fabrication traditionnel. Plutôt que de commencer avec une surface métallique et de mettre un mince substrat transparent sur le dessus suivi de nanocubes, ils commencent par les nanocubes, qu’ils recouvrent d’un revêtement d’espacement précisément mince qui suit la forme sous-jacente, et se terminent par un revêtement métallique. C’est presque comme un gâteau renversé à l’ananas, où les nanocubes sont les ananas recouverts de sucre caramélisé et cuits dans un fond fin.
Parce que plus d’une surface des nanocubes pourrait désormais piéger les plasmons entre les espaces, Mikkelsen et ses collègues pourraient expérimenter en 3D avec de nouvelles formes de nanoparticules. Dans l’article, l’équipe a testé des sphères solides et des cuboctaèdres – une forme composée de huit faces triangulaires et de six faces carrées – ainsi que des sphères métalliques avec un noyau de quartz.
« La synthèse de nanoparticules peut être délicate et il existe des limites pour chaque forme », a déclaré Mikkelsen. « En pouvant utiliser presque toutes les formes, nous ouvrons vraiment beaucoup de nouvelles possibilités, y compris l’exploration d’une variété de métaux. »
Les résultats des tests ont montré que non seulement la nouvelle méthode de fabrication peut égaler ou dépasser les capacités des méthodes précédentes utilisant des nanocubes d’argent, mais elle peut également élargir la gamme de fréquences exploitées en utilisant ces différentes formes et métaux. La recherche a également révélé que ces variations changent là où les nanoparticules captent l’énergie sur leurs surfaces. Combinée à l’avantage supplémentaire d’intempérier essentiellement l’ensemble de l’appareil en enveloppant les nanoparticules, la nouvelle technique pourrait potentiellement étendre l’utilisation de la technologie à la conduite de réactions chimiques ou de détecteurs thermiques.
La première priorité de Mikkelsen, cependant, est d’appliquer la technique de fabrication à son projet pour créer une « super caméra » capable de capturer et de traiter un large éventail de propriétés de la lumière, telles que la polarisation, la profondeur, la phase, la cohérence et l’angle d’incidence.
« Ce qui est vraiment important ici, c’est que de grandes zones macroscopiques peuvent être couvertes par les métasurfaces à très peu de frais, car nous utilisons des techniques de fabrication entièrement sans lithographie », a déclaré Mikkelsen. « Cela signifie que les métasurfaces peuvent être intégrées à d’autres technologies existantes et également créer une inspiration pour de nouvelles applications de métasurface plasmonique. »
Jon W. Stewart et al, Contrôle de la génération de chaleur à l’échelle nanométrique avec des absorbeurs de métasurface sans lithographie, Nano-lettres (2022). DOI : 10.1021/acs.nanolett.2c00761