nanoantennes en or
Afin de mieux comprendre le lien entre l’origine du signal de SHG et le métal utilisé, nous avons réalisé la même étude pour des nanoantennes en or.
Mise en évidence du signal SHG dans une nanoantenne en or
La première étape consiste à mettre en évidence la capacité des nanostruc-tures en or à générer des photons harmoniques. La figure 3.5 présente donc le spectre obtenu en illuminant une nanoantenne en or avec un faisceau de longueur d’onde 850 nm et en scannant le monochromateur entre 400 et 650 nm (courbe en rouge). A titre de comparaison, la même courbe obtenue précédemment pour une
nanoantenne en aluminium (courbe en bleue) a été superposée à ce résultat. Un important signal est à nouveau observé à la longueur d’onde moitié, soit 425 nm, correspondant au processus de génération de second harmonique. Contrairement à l’aluminium, un signal très large spectralement et de plus faible intensité est également mesuré à partir de 500 nm pour l’or. Bien que l’origine de ce signal soit encore discutée, l’explication fréquemment utilisée pour justifier sa présence est le processus de photoluminescence à deux photons (TPL). Nous reviendrons plus en détails sur ce processus dans la suite de ce chapitre.
Figure3.5 – Réponse spectrale d’une nanoantenne en or (courbe rouge) excitée à une longueur d’onde de 850 nm comparée à celle obtenue pour une nanoantenne en aluminium (courbe bleue). L’intensité, exprimée en photons détectés par seconde, a été pour l’or multipliée par un facteur 17 pour plus de clarté.
Comparaison des contributions de surface et de volume
La figure 3.6 montre les résultats obtenus pour un dimère en or composé de deux nanoantennes de 500 nm de long, 100 nm de large et 35 nm d’épaisseur, espacés d’une distance de 100 nm. Nous avons, au cours des expériences menées, observé que le seuil de dommage de l’or est plus faible que celui de l’aluminium, c’est pourquoi la puissance du laser incident a été fixée à 100 µW. La longueur d’onde d’excitation choisie est de 940 nm afin de coïncider avec une résonance plasmonique et de ne pas être incommodé à la détection par les photons issus du processus de TPL.
Dans cette figure, la cartographie expérimentale de la SHG est mise en relation avec les calculs numériques effectués pour les contributions surfaciques χs,nnn et la contribution volumique γb (notée Bulk). Les polarisations d’excitation et de détection sont orientées selon l’axe principal de la nanostructure.
En terme de répartition spatiale de l’intensité SHG dans la nanoantenne, un bon accord est trouvé entre la cartographie expérimentale et les calculs prenant compte de la contribution volumique. En effet, dans les deux cas, quatre spots
Figure3.6 – Réponse SHG d’une nanostructure en or composée de deux antennes de 500 nm de long, 100 nm de large et 35 nm d’épaisseur, espacées de 100 nm et excitée à une longueur d’onde de 940 nm. A gauche, sont présentées, de haut en bas, (a) l’image SEM du dimère étudié, (b) la cartographie expérimentale du signal de SHG émis à 470 nm, les cartographies calculées pour les contributions (c) volumique (Bulk) et (d) χnnn surfacique . Les flèches rouge et bleue indiquent respectivement la polarisation d’excitation et de détection. A droite, (e) les profils d’intensité pour chacune des cartographies ont été tracés, en suivant le même code couleur que précédemment.
de SHG distincts sont révélés, deux principaux aux extrémités du dimère et deux autres secondaires au niveau du gap. L’intensité dans le gap de la nanoantenne, émanant de la contribution surfaciqueχs,nnn, n’est quant à elle pas observée expé-rimentalement. Les profils d’intensité (partie droite de la figure 3.6), tracés pour chacune des cartographies selon les traits en pointillés, mettent en évidence ces observations. Les largeurs des spots de SHG aussi bien que le rapport d’intensité entre les spots principaux et secondaires mesurés expérimentalement concordent avec la contribution volumique. Les calculs numériques prenant en considération des nanoantennes dites "idéales", le léger écart observé entre l’expérience et la contribution volumique peut être expliqué par les légères différences morpholo-giques entre les deux nanostructures.
Pour aller plus loin, nous nous sommes intéressés une nouvelle fois aux efficaci-tés des différentes contributions. La valeur numérique en haut à droite de chaque cartographie indique la valeur maximale de l’intensité SHG, exprimée en photons émis par seconde, mesurée ou calculée. Les intensités non-linéaires ont été rééche-lonnés de manière à faire coïncider le maximum d’intensité expérimentalement mesuré et celui émis par la contribution de volume. Les paramètres de Rudnick et Stern pondérant les contributions entre elles ont également été pris en compte pour estimer les différentes intensités non-linéaires.
Pour l’or, deux études majeures ont été menées afin de déterminer expérimen-talement les paramètres de Rudnick et Stern. La première, menée par Wang et al. [124] et la seconde par Bachelier et al. [125]. Les valeurs de ces paramètres mesurées par ces deux études sont en accord : les rapports entre la contribution surfaciqueχs,nnn et la contribution de volume étant respectivement de 0,15 et 0,2. Dans la suite de notre étude, nous avons fait le choix d’utiliser les valeurs mesu-rées par Bachelier et al., soit : |a| = 0.5, |b| = 0.1 et |d| = 1. En appliquant ce facteur de pondération aux intensités SHG calculées à partir du modèle hydrody-namique, nous observons aisément que la contribution surfacique χs,nnn joue un rôle mineur dans le processus de SHG. En effet, dans le cas des nanoantennes en or, elle ne contribue qu’à hauteur de 4 photons par seconde, soit 90 fois moins que la contribution non-locale liée au volume.
Au vu de la répartition spatiale du signal de SHG mais surtout de la pré-éminence de l’intensité non-linéaire générée par la contribution volumique, le rôle important joué par cette contribution dans le processus optique est évident. Comme évoqué dans la deuxième partie de ce chapitre, ce résultat va à l’encontre de ce qui est communément admis par la communauté scientifique s’intéressant au processus de SHG dans l’or. En règle générale, seule la contribution surfacique
χs,nnn est prise en compte pour estimer l’intensité SHG dans les nanostructures en or, le volume étant considéré comme négligeable. Nous avons montré ici que la contribution volumique peut être majoritaire et générer des cartographies diffé-rentes de celles liées à la contributionχs,nnn. Plus généralement, il est nécessaire de considérer toutes les contributions pour calculer correctement les intensités SHG, les champs générés pouvant interférer constructivement ou destructivement.