Nous avons vu qu’il est possible d’organiser artificiellement, à l’échelle submi- cronique, des ensembles de NPs dans le plan, mais également en profondeur, en modifiant les conditions d’implantation. Une autre organisation a cependant été ob- servée sans que celle ci n’ait été provoquée volontairement. En effet, nous avons constaté un phénomène d’auto-organisation des NPs dans SiN à l’échelle nanomé- trique, pour des conditions d’implantation particulières : une énergie de 20 keV et
une dose de 3 × 1016cm−2 (Figure II.21).
Figure II.21 – Détail d’une image TEM obtenue sur un échantillon de SiN/Si implanté, sur laquelle on observe une organisation en hexagone des NPs d’argent.
(dimensions de l’image : 34 nm2.)
Ces conditions correspondent à l’échantillon présenté sur la figure II.10. Il est cependant difficile de voir une quelconque organisation sur cette image car l’épais- seur de l’échantillon étant trop importante, de nombreuses particules sont visibles entre les plus grosses. Nous avons donc utilisé une méthode spécifique de prépara- tion d’échantillon par tripode pour obtenir une zone d’observation assez large ne comprenant que les grosses particules proches de la surface. Deux images en vue plane sont reportées sur les figure II.22a et II.22b, la première avec un champ de vue étendu, et l’autre à plus fort grossissement.
On observe sur ces images des grosses particules appartenant au même plan. L’histogramme de taille reporté sur la figure II.23 montre une distribution en taille resserrée autour d’une taille moyenne de 5,4 nm comme déjà calculé à partir de la vue en coupe de l’échantillon.
La fonction d’auto-corrélation II.22d, calculée sur une grande zone de l’échan- tillon présente un anneau de forte densité, ce qui signifie qu’il existe une forte pro- babilité de trouver autour d’une particule considérée des particules voisines dans un rayon constant. La symétrie de l’anneau indique qu’à cette échelle, aucune direction ne semble privilégiée, donc qu’il n’y a pas d’ordre à longue distance dans l’échan- tillon. En revanche, la fonction calculée à partir d’une zone réduite de l’échantillon (Figures II.22b et II.22e), présente des pics répartis au sommets d’un hexagone au- tour du centre, ce qui démontre un ordre à courte distance [Babonneau et al., 2005]. A titre de comparaison, nous avons calculé la fonction d’auto-corrélation d’une
64 CHAPITRE II. NANOSTRUCTURES PLASMONIQUES ENTERRÉES
(a) (b) (c)
(d) Auto-correlation (e) Auto-correlation (f) Auto-correlation
Figure II.22 – Images TEM en vue plane et tracés de leur fonction d’auto- correlation. Les images a et b (et respectivement les fonctions d et e) sont relatives à l’échantillon présentant une auto-organisation. L’image c (et sa fonction d’auto- correlation f) correspond à un échantillon témoin sans organisation.
0 2 4 6 8 1 0 1 2 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 N o m b re d e p a rt ic u le s D i a m è t r e d e s p a r t i c u l e s ( n m )
Figure II.23 – Histogramme de taille des particules calculé à partir de l’image TEM II.22b.
II.C. ARCHITECTURE 3D 65
1,55 × 1016cm−2 (Figures II.22c et II.22f). On n’observe cette fois ci aucun anneau
autour du point central, il n’y a donc bien aucune distance privilégiée entre les particules, aucun ordre à courte ou longue distance.
La technique d’implantation ionique à basse énergie que nous avons mise en oeuvre pour fabriquer des structures plasmoniques à base de NPs métalliques, per- met donc en une seule étape de former des NPs sphériques dont on sait maîtriser la taille et la quantité. En modifiant les conditions d’implantations et la matrice hôte, on peut modifier leur arrangement selon trois dimensions avec une très bonne résolution, tout en conservant une bonne planéité de surface. Une grande variété d’échantillons peut être obtenue selon les paramètres choisis et il nous a été néces- saire de multiplier le nombre d’implantations dont certaines peuvent se prolonger durant plusieurs dizaines d’heures, afin de vérifier la bonne reproductibilité de la technique.
Les structures plasmoniques créées étant enterrées, des techniques d’observation particulières doivent être utilisées afin de les étudier. La microscopie électronique en transmission s’est avérée être un outil indispensable, mais nous avons également utilisé la microscopie optique et développé des méthodes d’analyse spectroscopique basées sur les réponses élastique et inélastique des échantillons. Celles-ci feront l’ob- jet des deux chapitres suivants.
Chapitre III
Réponse optique élastique
L
’architecture originale de NPs implantées dans une matrice nécessite destechniques d’observation particulières. Comme nous l’avons vu dans le chapitre précédent, la technique la plus complète et efficace pour caractériser nos échantillons est la microscopie électronique en transmission. Elle permet à la fois d’avoir une image précise allant de la surface jusqu’au substrat, et de décrire avec précision la taille, la forme et la cristallinité des NPs. Cependant, la préparation des échantillons est particulièrement longue et délicate, et limite de fait le nombre d’observations possibles. De plus, la taille des zones observables est assez réduite, n’offrant donc que des informations locales sur l’échantillon. C’est pourquoi nous avons souhaité développer une méthode d’analyse optique pour étudier nos structures plasmoniques. L’objet de ce chapitre sera l’étude de la réponse optique élastique de nos échan- tillons et nous utiliserons pour cela des mesures de réflectance optique. Dans une première partie, nous détaillerons la méthode de simulation numérique de la réflec- tance, ce qui nous permettra dans la seconde partie d’étudier la réponse de nos échantillons implantés.III.A Simulations numériques de réflectance
La mesure de réflectance est une technique macroscopique, très rapide et ne nécessitant pas une préparation d’échantillon complexe. Bien que beaucoup d’infor- mations soient inaccessibles avec cette méthode, la compréhension des courbes de réflectance peut permettre de remonter rapidement à des caractéristiques impor- tantes des NPs implantées.
C’est avec cet objectif que nous avons développé un programme sous MATLAB, modélisant le comportement optique d’un échantillon, et permettant de tracer sa courbe de réflectance optique spéculaire.
68 CHAPITRE III. RÉPONSE OPTIQUE ÉLASTIQUE