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Nanosources de photons et de plasmons

Responsable : Elizabeth Boer-Duchemin

Participants : Eric Le Moal, Gérald Dujardin

Doctorants : Shuiyan Cao

Précédents contributeurs : Geneviève Comtet (DR), Yang Zhang (Post-doc), Damien Canneson (Post-doc), Tao Wang (PhD) & Benoit Rogez (PhD)

Notre but est de réaliser et exploiter des nanosources électriques de photons et de plasmons. Pour cela, nous avons développé un dispositif expérimental consistant en un microscope à effet tunnel (STM) couplé à un microscope optique inversé. Le courant tunnel inélastique du STM peut exciter électriquement et localement les plasmons de surface sur un échantillon métallique nanostructuré. L’émission de lumière qui en résulte est collectée grâce à l’objectif du microscope.

Techniques : STM - AFM - Microscopie et spectroscopie optique

Actualités

— Communiqué de presse 2017-02-08 (en anglais) | JPK reports on the use of STM to study surface plasmons in our group.
— Shuiyan Cao donnera une présentation orale sur l’excitation par STM de lentilles plasmoniques à la conférence Advances in Optoelectronics and Micro/Nano-optics (AOM 2017) à Nanjing en Chine (23-26 avril 2017).
— Elizabeth Boer-Duchemin donnera une présentation orale sur l’excitation par STM de cristaux plasmoniques à la conférence SPP8 à Taïwan, le vendredi 26 mai 2017.

Faits marquants :

Un cristal plasmonique sous la pointe du STM. Des faisceaux de polariton de plasmon de surface (SPP) avec une dispersion angulaire de 8° dans le plan sont produits par excitation électrique d’un cristal plasmonique 2D à l’aide d’un microscope à effet tunnel (STM). Le cristal plasmonique est constitué d’un réseau de nanoparticules d’or (NP) sur un film d’or sur un substrat en verre et les électrons tunnel inélastiques du STM fournissent une source de SPP localisée et spectralement large bande. Les ondes de surface sur le film d’or se révèlent être essentielles au couplage de l’excitation électrique locale au réseau étendu de NPs, conduisant ainsi à la création de faisceaux de SPP.

article : D. Canneson, E. Le Moal, S. Cao, X. Quélin, H. Dallaporta, G. Dujardin, and E. Boer-Duchemin, “Surface plasmon polariton beams from an electrically excited plasmonic crystal”, Opt. Express 24(23), 26186-26200 (2016)

De l’importance des instabilités de la pointe dans l’émission de lumière induite par STM à l’air. Nous démontrons que le mode opératoire optimal du STM pour l’émission maximale de photons est complètement différent dans l’air et dans le vide. A cette fin, nous étudions l’émission de photons, la variation de la distance relative pointe-échantillon et du courant mesuré en fonction du temps pour un STM fonctionnant dans l’air. Les instabilités du courant se révèlent être un ingrédient clé pour produire une émission de lumière intense à partir d’un STM fonctionnant dans des conditions ambiantes (taux d’émission de photons supérieur de plusieurs ordres de grandeur à celui mesuré pour un courant stable). Ces résultats sont expliqués en termes d’interactions entre le courant tunnel et le courant électrochimique dans la fine couche d’eau qui est omniprésente lorsque l’on travaille dans l’air.

article : B. Rogez, S. Cao, G. Dujardin, G. Comtet, E. Le Moal, A. Mayne, and E. Boer-Duchemin, "The mechanism of light emission from a scanning tunnelling microscope operating in air”, Nanotechnology 27(46), 465201 (2016)

Comment contrôler la lumière induite par STM en utilisant une nanoparticule d’or. Les propriétés de la lumière induite par STM sont difficiles à contrôler en raison de la forte influence de la pointe STM. Nous montrons théoriquement et expérimentalement que le contrôle tant recherché de la lumière provenant d’une jonction tunnel peut être réalisé dans un STM en utilisant une pointe non plasmonique et d’une nanoparticule plasmonique sur un substrat transparent. Dans ce cas, les modes plasmons "natifs" de la nanoparticule peuvent être utilisés pour contrôler les propriétés de la lumière émise dans le substrat.

article : E. Le Moal, S. Marguet, D. Canneson, B. Rogez, E. Boer-Duchemin, G. Dujardin, T. V. Teperik, D.-C. Marinica, and A. G. Borisov, “Engineering the emission of light from a scanning tunneling microscope using the plasmonic modes of a nanoparticle”, Phys. Rev. B 93, 035418 (2016)

Excitation par STM de systèmes hybrides photonique-plasmonique. Nous décrivons l’excitation optique et électrique des modes d’un guide d’ondes "hybride" constitué d’une nanofibre organique unique sur un film d’or. Deux modes guidés de nature mixte photonique-plasmonique sont identifiés et les relations de dispersion de ce guide d’onde hybride sont déterminées. Une nanosource électrique locale de polaritons de plasmon de surface (SPPs) est couplée au guide d’ondes hybride. Nous montrons que les SPPs excités électriquement se couplent au mode fondamental et que l’efficacité du couplage est maximale lorsque la nanosource de SPP est alignée avec l’axe de la nanofibre.

article : B. Rogez, R. Horeis, E. Le Moal, J. Christoffers, K. Al-Shamery, G. Dujardin, and E. Boer-Duchemin, “Optical and Electrical Excitation of Hybrid Guided Modes in an Organic Nanofiber–Gold Film System”, J. Phys. Chem. C 119 (38), 22217–22224 (2015)

Cohérence mutuelle entre lumière et plasmons de surface excités par STM, révélée au moyen de nanoparticules d’or. Nous étudions la propagation de polaritons de plasmon de surface (SPPs) excités électriquement par STM sur un film d’or sur lequel sont déposées des nanoparticules d’or (NPs). L’interaction des SPPs avec les NPs conduit à leur diffusion dans le plan (SPP->SPP) et hors-plan (SPP->photon). Nous utilisons la microscopie de fuites radiatives des SPPs pour observer les interférences entre les ondes SPP incidentes et diffusées dans le plan. De plus, la lumière diffusée hors du plan par les NPs interfère en champ lointain avec la lumière provenant directement de la jonction tunnel. Ceci confirme la cohérence mutuelle des émissions de lumière et de SPP résultant du courant tunnel inélastique d’un électron dans la jonction tunnel.

article : T. Wang, B. Rogez, G. Comtet, E. Le Moal, W. Abidi, H. Remita, G. Dujardin, and E. Boer-Duchemin, "Scattering of electrically excited surface plasmon polaritons by gold nanoparticles studied by optical interferometry with a scanning tunneling microscope", Phys. Rev. B 92, 045438 (2015)

Une expérience d’Young pour les plasmons et la cohérence temporelle des SPPs excités par STM.  La cohérence temporelle des plasmons de surface propagatifs est étudiée à l’aide d’une source locale de plasmon à large bande constituée d’un STM. Une variante de l’expérience des fentes d’Young est réalisée en utilisant un échantillon constitué d’un film d’or de 200 nm d’épaisseur perforé par deux trous de 1 μm de diamètre (séparés par 4 ou 6 μm).

article : T. Wang, G. Comtet, E. Le Moal, G. Dujardin, A. Drezet, S. Huant, and E. Boer-Duchemin, "Temporal coherence of propagating surface plasmons", Opt. Lett. 39, 6679 (2014)

Une expérience d’Young pour les plasmons et la cohérence spatiale des SPPs excités par STM. Une expérience similaire à celle des fentes d’Young est réalisée, où une onde SPP excitée par STM est envoyée sur une paire de trous de 1 μm de diamètre dans un film d’or déposé sur un substrat en verre. La visibilité des franges résultantes dans le plan de Fourier est analysée pour montrer que la polarisation du champ électrique est maintenue lorsque les SPPs sont diffusés sous forme de lumière. A partir de cette expérience d’Young, une limite supérieure de ≈200 nm pour le rayon de cette source de SPPs excitée par STM est déterminée.

article : T. Wang, E. Boer-Duchemin, G. Comtet, E. Le Moal, G. Dujardin, A. Drezet, and S. Huant, “Plasmon scattering from holes : from single hole scattering to Young’s experiment”, Nanotechnology 25(12), 125202 (2014), arXiv : 1401.2002

Une microsource électrique de faisceaux de lumière polarisée radialement. Des faisceaux vectoriels cylindriques sont produits à partir d’une source lumineuse électrique de basse énergie et de dimension micrométrique, en combinant une "lentille plasmonique" et la capacité des effets inélastiques du courant tunnel à exciter localement les plasmons de surface propagatifs sur un film d’or. Nous mesurons l’émission de faisceaux polarisés radialement avec une dispersion angulaire inférieure à 4°.

article : S. Cao, E. Le Moal, E. Boer-Duchemin, G. Dujardin, A. Drezet, S. Huant, "Cylindrical vector beams of light from an electrically excited plasmonic lens", Appl. Phys. Lett. 105, 111103 (2014)

Le graphène accélère l’émission des QDs et limite leur clignotement. Une nouvelle classe de nanodispositifs optoélectroniques constituée de nanocristaux semi-conducteurs 0D et de couches 2D de graphène peut être utilisée pour étudier et contrôler le transfert d’énergie et de charge dans des systèmes de faibles dimensions. Nous étudions ici la dynamique de fluorescence de nanocristaux de semiconducteurs individuels (QDs) sur le graphène, à l’échelle de la nanoseconde (durée de vie de la fluorescence) et à l’échelle de la seconde (statistiques de clignotement).

article : B. Rogez, H. Yang, E. Le Moal, S. Lévêque-Fort, E. Boer-Duchemin, F. Yao, Y.-H. Lee, Y. Zhang, D. Wegner, N. Hildebrandt, A. Mayne, G. Dujardin, “Fluorescence lifetime and blinking of individual semiconductor nanocrystals on graphene”, J. Phys. Chem. C 118, 18445 (2014)

Emission directionnelle d’une nanosource électrique de lumière. Nous décrivons l’excitation électrique locale, à faible énergie, de plasmons de surface localisés (LSP) sur des nanoparticules d’or individuelles (NP) à l’aide d’un STM. L’excitation sélective des modes LSP dipolaires de la NP est obtenue en contrôlant la position latérale de la pointe par rapport au centre de symétrie de la NP. Cela permet de maitriser la distribution angulaire, la polarisation et le spectre de l’émission de lumière qui en résulte.

article : E. Le Moal, S. Marguet, B. Rogez, S. Mukherjee, P. Dos Santos, E. Boer-Duchemin, G. Comtet, G. Dujardin, "An electrically excited nanoscale light source with active angular control of the emitted light", Nano Lett. 13, 4198 (2013)

Le STM excite les plasmons de surface des deux côtés d’une bande en or. Nous étudions la diffusion sous forme de lumière des polaritons de plasmon de surface (SPP) excités par STM sur les faces supérieure et inférieure d’une bande micrométrique en or déposée sur un substrat en verre. Les SPP se propageant sur l’interface air-or diffusent sur les bords de la bande de manière directionnelle, sous forme de lumière émise vers l’avant à un angle proche de l’angle critique air-verre. Par contre, les SPP sur l’interface or-substrat diffusent de manière isotrope, à tous les angles, ce qui forme une figure d’interférence dans les images du plan de Fourier.

article : Y. Zhang, E. Boer-Duchemin, T. Wang, B. Rogez, G. Comtet, E. Le Moal, G. Dujardin, A. Hohenau, C. Gruber, and J. R. Krenn, "Edge scattering of surface plasmons excited by scanning tunneling microscopy", Opt. Express 21(12), 13938 (2013)

Le STM excite des plasmons de surface localisés et propagatifs. Nous avons démontré l’excitation locale des plasmons de surface propagatifs sur des films d’or en utilisant le STM. Ce processus d’excitation repose sur les effets tunnel inélastiques. Son confinement dans la jonction tunnel entre la pointe et la surface fournit une résolution spatiale inégalée qui est bien au-delà des possibilités de l’excitation optique.

article : T. Wang, E. Boer-Duchemin, Y. Zhang, G. Comtet and G. Dujardin, “Excitation of propagating surface plasmons with a scanning tunnelling microscope”, Nanotechnology 22, 175201 (2011)