Focalisation adiabatique de plasmons et la dynamique des porteurs chauds
L’absorption de plasmons dans des structures métalliques sub-micrométriques est exploitée dans différents domaines comme les capteurs bio-chimiques ultrasensibles, la spectroscopie Raman exaltée de surface, la circuiterie plasmonique… Mais leur propagation sur une trop faible distance est un inconvénient à la plupart des applications plasmoniques (transmission de l’information, énergie …). Cependant, cette dissipation permet la génération de porteurs chauds (électrons) pouvant atteindre de très fortes températures (quelques milliers de Kelvin) en un temps très court de l’ordre de la picoseconde. Les domaines de la photochimie, des cellules photovoltaïques, ou le traitement ciblé de tumeurs peuvent grandement tirer partis de ces porteurs s’il était possible d’augmenter leur durée de vie.
Une collaboration entre des chercheurs des laboratoires LOMA, LP2N et LCF (France) et des chercheurs de l’université d’Harvard (USA) et le Rensselaer Polytechnic Institute (Troy, USA) a permis d’étudier l’effet du confinement de plasmons de surface sur la durée de vie des porteurs chauds.
Dans le cadre de cette expérience, une couche d’or a été utilisée pour fabriquer une structure plasmonique emblématique : le taper. Il est constitué d’un réseau associé à une pointe gravés dans un film d’or (Fig. 1) qui permet de guider et focaliser le plasmon de surface jusqu’à l’extrémité.
Contrairement aux techniques conventionnelles de caractérisation des plasmons de surface qui utilisent un SNOM, l’originalité de l’expérience ici est de mesurer la dynamique du phénomène par thermo-reflectance grâce à un laser impulsionnel femtoseconde (Fig.2).
La focalisation adiabatique des plasmons de surface grâce à la forme du taper a permis une augmentation significative du temps de montée de la température électronique. Celle-ci a pu être mesurée et modélisée par l’association de simulations ab-initio et d’un modèle non-linéaire à 2 températures. La géométrie du taper permet d’être plus efficace que les nanoparticules individuelles pour capter et canaliser les plasmons de surface. Une amélioration du design de ces structures permettrait d’engendrer des porteurs chauds avec une durée de vie suffisamment longue pour des applications nécessitant un transfert de charges.
Ref : Increased rise time of electron temperature during adiabatic plasmon focusing, Lozan, O. et al., Nat. Commun. 8, (2017). Hal
Contact : Jean-Michel Rampnoux, Equipe Photonique & Matériaux
