Nous allons présenter dans cette partie plusieurs applications basées sur la plasmonique. Ce couplage entre électrons de conduction et lumière a permis le développement de nombreuses technologies profitant de ces résonances et de la localisation de ces ondes. Cette section dresse une liste d’applications qui est
Figure 8 – Structure de bandes électroniques du graphène avec le cône de Dirac au point K [238].
loin d’être exhaustive, tant la plasmonique a eu un impact considérable dans des domaines très variés, allant de la biologie à la chimie et bien sûr à l’optique.
Au-delà de la limite de la diffraction La résolution en microscopie optique est généralement limitée par la limite de diffraction qui est de l’ordre de la longueur d’onde de l’onde électromagnétique, c’est-à-dire de plusieurs centaines de nanomètres. Le développement des microscopes électroniques a permis de surpasser cette limite en envoyant non plus un faisceau de lumière mais un faisceau d’électrons. Les plasmons offrent une voie alternative à l’utilisation des microscopes électroniques. En effet, nous avons vu qu’ils sont capables de concentrer la lumière sur des distances de l’ordre de quelques nanomètres [77,110]. L’exaltation de champ est également une propriété importante pour les plasmons. L’intensité du champ local est plus grande que celle du champ incident, ce qui permet d’avoir suffisamment de signal pour l’observation des plasmons. Ces propriétés permettent donc de construire des guides optiques sub-longueur d’onde afin de concevoir des circuits intégrés optiques [25]. Un exemple de réalisation de guide d’onde par plasmon est montré sur la figure9. Il s’agit d’un guide en forme d’anneau permettant des expériences d’interférences de plasmon àλ= 1525 nm. Ils ont montré que les plasmons peuvent se déplacer
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(a) (b)
Figure 9 – Guide d’onde en anneau d’un plasmon (extrait de la référence [25]).
(a) Image de microscopie électronique à balayage. (b) Microscopie optique de champ proche à balayage permettant d’observation d’un plasmon à λ= 1525 nm.
dans des formes non rectilignes sur plusieurs dizaines de micromètres.
Détection de molécules La détection de molécules par voie optique se fait généralement grâce à des molécules fluorescentes qui vont absorber les photons incidents et réémettre à une longueur d’onde caractéristique de la molécule.
Malheureusement, la plupart des molécules ne sont pas fluorescentes et ne peu-vent donc pas être observées par cette technique. La résonance de plasmon de surface permet de dépasser cette limite et de détecter des molécules non fluorescentes de choix en greffant par exemple des anticorps dans le matériau métallique[257]. Lorsque l’antigène se fixe à l’anticorps, cela va changer locale-ment l’indice optique du milieu et donc changer la résonance plasmon, comme cela est schématisé sur la figure 10. Il a également été montré qu’un plasmon
Figure 10 –Schéma d’un nanobâtonnet d’or couvert d’anticorps. Lorsqu’un antigène se greffe à un anticorps, la fréquence de résonance plasmon est modifiée.
de surface peut interagir avec une molécule fluorescente afin d’en contrôler son émission [124,112].
Amélioration des cellules photovoltaïques L’exaltation locale du champ électrique génère des intensités de champ qui permettent d’améliorer les perfor-mances des cellules photovoltaïques [7,180]. Ces forts champs électriques facili-tent également la création d’une paire électron-trou dans le semi-conducteur.
Le dernier mécanisme améliorant le rendement des cellules photovoltaïques est la diffusion de la lumière par les nanoparticules qui piègent la lumière dans la couche mince de semi-conducteurs.
Autres types d’applications Les plasmons ont également été utilisés pour d’autres technologies telles que la chimie photoinduite [8]. La présence d’un dégagement de chaleur associée à l’absorption et d’une exaltation de champ permettent de catalyser certaines réactions chimiques. Nous reviendrons plus en détail sur ce dégagement de chaleur dans le chapitre5.
Cette exaltation de champ permet de faire également de l’optique non-linéaire pour la réalisation de convertisseurs de fréquence et des switches optiques [111, 109].
Conclusion
Nous avons présenté dans ce chapitre d’introduction la physique associée aux plasmons. Ce couplage entre une onde électromagnétique et le gaz d’électrons libres d’un métal donne naissance à des phénomènes de résonance dans les nanomatériaux. Ces résonances permettent de générer des champs électriques localement très élevés à proximité de l’interface métal-diélectrique.
L’absorption de cette énergie électromagnétique est également exaltée, ce qui a conduit au développement de nombreuses applications. Cependant, cette én-ergie absorbée par les électrons du métal va être relaxée au réseau cristallin grâce aux interactions électron-phonon (effet Joule). Lorsque les sources lu-mineuses ont des intensités élevées, comme un laser femtoseconde, les énergies mises en jeu peuvent grandement affecter la structure du système et de son environnement. Nous allons donc nous intéresser aux phénomènes thermiques associés à ces résonances plasmons. Les objectifs sont de quantifier les effets thermiques et de comprendre comment la chaleur générée dans ces nanostruc-tures va affecter le milieu environnant.
Ce problème multiphysique fait intervenir à la fois la dynamique des électrons et celle des noyaux. Nous allons tenter dans un premier chapitre d’introduire explicitement les électrons aux simulations de Dynamique Moléculaire. Devant les difficultés rencontrées avec cette méthode, nous présenterons dans un second chapitre une approche alternative dans laquelle des simulations de différences finies dans le domaine temporel seront effectuées au préalable afin de calculer
la puissance absorbée par le nanomatériau. Cette puissance sera ensuite réin-jectée comme terme source dans les simulations de Dynamique Moléculaire afin d’accéder à la dynamique de chauffage et son effet sur la structure locale et environnante d’une nanoparticule.