Des chercheurs développent une nouvelle technique pour la production d’appareils plasmoniques

Des chercheurs développent une nouvelle technique pour la production d'appareils plasmoniques

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Crédits: CC0 Public Domain

Les laboratoires de recherche développent constamment de nouveaux matériaux qui devraient présenter de nouvelles propriétés destinées à révolutionner telle ou telle technologie. Mais il ne suffit pas de simplement créer ces matériaux; les scientifiques doivent également trouver des méthodes efficaces pour les traiter et les affiner. De plus, les composites sont souvent fabriqués via l’ajout de nanoparticules dans une matrice de base, c’est pourquoi il est nécessaire de trouver un moyen de manipuler l’emplacement, la taille et le taux de concentration de ces particules qui excluraient même les plus petits écarts invisibles pour l’œil humain.


Les chercheurs de l’Université ITMO ont amélioré la technique de traitement local des composites à base de verre nanoporeux avec addition d’argent et de cuivre. Désormais, il est possible de prédire avec une grande précision les propriétés optiques d’un composant plasmonique lors de son traitement. Cette recherche a été publiée dans Nanomatériaux.

Pendant des millénaires, l’humanité a dû s’adapter aux matériaux dont elle disposait: métaux, bois, pierre, minéraux, etc. Aujourd’hui, les humains ont appris à adapter les matériaux dont ils disposent à leurs propres besoins, créant des matériaux composites à partir de plusieurs composants. Ces matériaux ont de nouvelles propriétés et ouvrent de nouvelles opportunités. Ils ont un grand potentiel d’utilisation dans les appareils optiques tels que les lasers, les lidars, les capteurs, les lentilles, les guides d’ondes et autres appareils qui traitent les signaux lumineux. En particulier, les chercheurs ont de grands espoirs pour le verre enrichi de nanoparticules métalliques.

« Ces matériaux peuvent être utilisés comme filtres optiques », explique Pavel Varlamov, ingénieur de recherche à la Faculté de photonique laser et d’optoélectronique. « La lumière blanche, comme nous le savons, se compose d’un grand nombre de longueurs d’onde et vous devrez peut-être, par exemple, mettre en évidence ou exclure une certaine bande de spectre, comme le bleu ou le jaune. C’est à cela que servent les filtres optiques, et ils peuvent être utilisés dans lasers, réfracteurs, lentilles ou guides d’ondes. « 

Selon les ions métalliques qui sont ajoutés dans le verre, le composite résultant peut être utilisé pour manipuler différentes parties du spectre. Par exemple, si vous ajoutiez des nanoparticules d’argent et de cuivre dans le verre, il absorberait le rayonnement dans la bande bleu-vert. Mais l’ajout de nanoparticules d’argent et de cuivre dans du verre ordinaire, comme le type utilisé pour fabriquer des fenêtres ou des ustensiles de cuisine, serait un processus complexe et coûteux impliquant de nombreuses réactions chimiques. C’est pourquoi les scientifiques préfèrent utiliser du verre nanoporeux spécial à ces fins.

Une fois que les nanoparticules ont été «ajustées» dans les pores, le matériau est altéré par le rayonnement laser afin de l’améliorer avec de nouvelles propriétés optiques qui permettent, par exemple, de contrôler avec précision le spectre lumineux en transmettant ou en absorbant les faisceaux lumineux d’un spécifique bande.

Mais il y a un problème: lors du traitement destiné à «coller» les composants d’un nouveau matériau, les nanoparticules métalliques changent de forme et même de constitution chimique. Tout au long du processus, le matériau change la façon dont il interagit avec le rayonnement laser; essentiellement, il commence à mieux absorber le rayonnement dans une bande spécifique du spectre. Cela présente plusieurs défis pour le processus de traitement. Un laser ne peut pas être simplement réglé sur des valeurs spécifiques, puis utilisé pour traiter le matériau du début à la fin; il doit être continuellement ajusté aux changements qui se produisent dans le matériau.

« La méthode que nous avons suggérée permet de créer des micro-éléments volumineux avec un pic de résonance plasmonique qui peut être contrôlé en temps réel », explique Roman Zakoldaev, chercheur à la Faculté de photonique laser et d’optoélectronique. « La méthode vise à optimiser les paramètres de l’altération laser par rétroaction. »

Afin d’ajuster les performances du laser tout au long du traitement, les scientifiques doivent effectuer instantanément des calculs complexes des changements qui se sont déjà produits et des changements qui devraient être apportés aux paramètres du laser. Pour cela, ils ont besoin d’un modèle physico-mathématique flexible; un tel modèle est devenu la base d’un algorithme conçu pour gérer le traitement de ces matériaux.

Les chercheurs de l’Université ITMO ont suggéré un modèle mathématique qui prendrait en compte la force du rayonnement et les changements qu’il provoque dans le matériau. Cela permet aux chercheurs de produire des matériaux avec les propriétés optiques exactes qui ont été initialement prises en compte dans les calculs.

« Nous avons pu proposer un algorithme de calcul qui présente la structure électronique, la taille et la concentration des nanoparticules avec les propriétés optiques du matériau comme un environnement efficace (?) », Explique Maksim Sergeev. « L’utilisation de l’algorithme avec un modèle de croissance de particules contrôlée par la diffusion nous a permis de suivre les changements optiques dans le traitement au laser en temps réel. »

La méthode suggérée rendrait la création de composants plasmoniques optiques uniques bon marché et faciles à manipuler, ouvrant de nouvelles opportunités pour leur intégration dans la production industrielle.


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Plus d’information:
Maksim M. Sergeev et al, Analyse en temps réel du réglage du plasma induit par laser dans le composite de verre nanoporeux, Nanomatériaux (2020). DOI: 10.3390 / nano10061131

Fourni par ITMO University

Citation: Des chercheurs développent une nouvelle technique de production d’appareils plasmoniques (2020, 13 juillet) récupéré le 14 juillet 2020 sur https://phys.org/news/2020-07-technique-production-plasmonics-devices.html

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