Plasmonique moyen IR à base de nanostructures d’oxydes semiconducteurs dégénérés

Nos recherches visent à étendre vers le moyen IR les propriétés remarquables des plasmons démontrées dans la gamme visible. Les plasmons, oscillations collectives résonantes d’un gaz d’électrons libres, induisent une forte exaltation du champ proche électromagnétique à proximité (sur quelques dizaines de nm) d’objets métalliques. Ces propriétés sont particulièrement intéressantes pour amplifier toute interaction entre la lumière et la matière. Cela a d’ailleurs été mis à profit dans diverses techniques pour concevoir des capteurs optiques dans la gamme spectrale visible (e.g. SERS, surface enhanced Raman spectroscopy). Cette exaltation est particulièrement intéressante dans la gamme du moyen IR (MIR) où se situent les modes vibrationnels des liaisons atomiques de nombreuses molécules et solides. Ainsi, par le contrôle de plasmons MIR, il est envisageable de concevoir de nouveaux matériaux aptes à exalter l’absorption IR de molécules et solides et par conséquents, cela ouvre la voie à la réalisation de capteurs IR sensibles à de plus petites quantités de matière.
Cependant, les plasmons des métaux nobles sont principalement efficaces dans le visible ou le proche IR. Pour induire un plasmon dans le Moyen IR, la concentration du gaz d’électron libre doit être contrôlable. Cela est possible dans les semiconducteurs dégénérés (très dopés et rendus métalliques). Dans ce cadre, nos recherches se focalisent sur l’oxyde Zinc (ZnO) dégénéré au Gallium (GZO) ou à l’Aluminium (AZO). Plus particulièrement, nous étudions les nanocristaux de GZO et AZO ainsi que des nanofils de ces matériaux, avec pour ambition de générer un plasmon MIR accordable et subséquemment de le coupler au

x modes vibrationnels des liaisons atomiques.

Forêt de nano-sapins plasmoniques de ZnO dopés au Ga.

Forêt de nano-sapins plasmoniques de ZnO dopés au Ga.

 

 

 

 

Schéma de contrôle due la résonance plasmon via le contrôle de la concentration en porteurs libres.

Schéma de contrôle due la résonance plasmon via le contrôle de la concentration en porteurs libres.

 

Contact : Bruno Masenelli

 

Participants : J-M. Bluet, B. Canut, B. Masenelli

 

Projet contractuel : ANR-15-CE09-0004 Gazon

 

Publications :
1. M. K. Hamza, J.-M. Bluet, K. Masenelli-Varlot, B. Canut, O. Boisron, P. Mélinon, B. Masenelli, Tunable mid IR plasmon in Gallium doped ZnO nanocrystals, Nanoscale, 7, 12030-12037 (2015)

2. M. K. Hamza, O. Boisron, B. Canut, P. Mélinon, J. Penuelas, M. Gendry, B. Masenelli, Control of the compensating defects in Al-doped and Ga-doped ZnO nanocrystals for MIR plasmonics, RCS Advances, 7, 28677-28683 (2017)

3. V. Sallet, C. Sartel, S. Hassani, C. Vilar, G. Amiri, A. Lusson, F. Jomard, P. Galtier, I. Lefevbre, C. Delerue, M. K. Hamza, B. Canut, B. Masenelli, Crystal facet engineering in Ga-doped ZnO nanowires for MIR plasmonics, Crystal Growth & Design (2018)

INL CNRS