Aluminum plasmonics for optical applications
Plasmonique d’aluminium pour des applications optiques
Résumé
Plasmonics is based on the intense and confined electromagnetic fields appearing near metallic nanostructures illuminated at frequencies near their surface plasmon resonances. Among the different metals, aluminum sustains a broad range of plasmonic resonances from deep UV to near IR. Due to high losses in the visible, aluminum plasmonic structures require an improvement to compete with noble metals. First, we present a strategy to increase the resonance quality based on diffractive coupling in periodic arrays. This approach, studied with simulations and experimental methods, provides a change of quality factor of resonance up to 7 times in comparison with an isolated particle. Then, we couple aluminum nanostructures with a wide band gap semiconductor to enhance its emission. Periodic arrays of Al nanoparticles were fabricated onto a ZnO epitaxial layer. Results show an enhancement of emission of 1.5 times in comparison with pristine ZnO. To increase the effect and get a more efficient surface coverage, we then used a fractal geometry inspired from radiowave technology. FDTD simulations were performed to design an effective geometry and the structures were fabricated with an adapted electron beam lithography process. Finally, we propose a concept of chiral fractals. Using the complex geometry of fractals, it is possible to push optical chirality of plasmonic structures toward the UV part of the spectrum. Samples were fabricated and the existence of circular dichroism in fractal structures was proven
La plasmonique repose sur les champs électromagnétiques intenses et confinés apparaissant à résonance autour de nanostructures métalliques. Parmi ces métaux, l'aluminium soutient une gamme variée de résonances plasmoniques de l'UV jusqu’à l'IR. En raison des pertes élevées dans le visible, une amélioration est nécessaire pour concurrencer les métaux nobles. Une stratégie pour augmenter la qualité des résonances est d’utiliser un couplage diffractif au sein d’un réseau périodique. Nous montrons expérimentalement et numériquement une amélioration d’un facteur 7 du facteur de qualité par rapport à la particule isolée. Ensuite, nous couplons des nanoparticules d’Al avec un semiconducteur à grand gap pour exalter son émission. Un réseau de particules d’Al a été déposé sur une couche épitaxiale d'oxyde de zinc. Les résultats montrent une amélioration de 1,5 fois par rapport au ZnO natif. Pour améliorer cet effet et couvrir plus efficacement la surface, nous avons ensuite utilisé une géométrie fractale, inspirée de la technologie radio. Les structures ont été conçues via des simulations FDTD, puis elles ont été fabriquées à l’aide d’un procédé de lithographie électronique adapté. Finalement, nous proposons le concept d’une fractale chirale. Grâce à la géométrie complexe des fractales, il est possible de pousser l’activité optique des structures plasmoniques vers la partie UV du spectre. Des échantillons ont été conçus et fabriqués, prouvant l’existence de dichroïsme circulaire dans les fractales
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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