Plasmonique du graphène: Nanophotonique avancée pour dispositifs plasmoniques ultrarapides

Par Fouad Sabry

La plasmonique du graphène révolutionne l'optique nanométrique, offrant un contrôle sans précédent de la lumière à l'échelle quantique. Ce livre dévoile comment la plasmonique à base de graphène façonne des applications de pointe, reliant la physique, l'ingénierie et la science des matériaux. Indispensable pour les chercheurs, les étudiants et les professionnels, il explore le potentiel du graphène dans le domaine en constante évolution de la nanophotonique.

Aperçu des chapitres :

1 : Plasmonique du graphène – Comprendre les fondamentaux et les propriétés optiques uniques des plasmons de graphène.

2 : Métamatériau plasmonique – Explorer les matériaux artificiels qui améliorent le comportement plasmonique du graphène.

3 : Plasmon de surface localisé – Examiner les effets plasmoniques de surface confinés dans les structures de graphène.

4 : Applications potentielles du graphène – Découvrir le rôle du graphène dans la détection, la communication et l'énergie.

5 : Graphène bicouche – Explorer l'influence des couches de graphène empilées sur les propriétés plasmoniques.

6 : Spaser – Découvrez comment les spasers à base de graphène favorisent l’amplification de la lumière à l’échelle nanométrique.

7 : Graphène – Un aperçu général de la structure du graphène et de son importance en nanoplasmonique.

8 : Mark Stockman – Explorez les contributions pionnières de Stockman à la plasmonique.

9 : Microscopie électronique en champ proche induite par photons – Découvrez comment la technologie PINEM révèle le comportement plasmonique.

10 : Molécule photonique – Étudiez les molécules artificielles qui manipulent la lumière à l’échelle nanométrique.

11 : Lentille en graphène – Étudiez comment le graphène améliore l’imagerie optique et les dispositifs nanophotoniques.

12 : Lentille plasmonique – Analysez les lentilles exploitant les plasmons pour l’imagerie à super-résolution.

13 : Nanolaser – Étudiez comment la plasmonique permet la création de lasers ultra-compacts et hautes performances.

14 : Transmission optique extraordinaire – Découvrez comment les nanostructures améliorent la transmission de la lumière.

15 : Phaedon Avouris – Découvrez les travaux révolutionnaires d’Avouris en optoélectronique du graphène.

16 : Juerg Leuthold – Explorez l’impact de Leuthold sur la plasmonique et la photonique intégrée.

17 : Plasmonique – Une vision globale de la plasmonique et de son rôle transformateur en nanotechnologie.

18 : Plasmon – Plongez dans la physique des plasmons et leurs applications à la recherche sur le graphène.

19 : Polariton de plasmon de surface – Étudiez les interactions lumière-matière sur les surfaces de graphène.

20 : Ortwin Hess – Explorez les recherches d’Ortwin Hess sur la nanophotonique et la plasmonique quantique.

21 : Métamatériaux photoniques – Étudiez les matériaux avancés qui redéfinissent le contrôle de la lumière.

Ce livre est une ressource indispensable, alliant théorie et perspectives pratiques, garantissant une compréhension approfondie de la plasmonique du graphène et de son rôle en nanotechnologie. Améliorez votre expertise et gardez une longueur d’avance dans le monde en évolution rapide de la plasmonique à l’échelle nanométrique.

• Langue: Français
• Éditeur: Un Milliard De Personnes Informées [French]
• Date de sortie: 17 mars 2025

Aperçu du livre

Chapitre 1 :Plasmonique du graphène

Le graphène est une nanofeuille bidimensionnelle d'une épaisseur de 0,34 nanomètre, ce qui est une minceur atomique. En raison de son épaisseur extrêmement mince, le graphène présentait un large éventail de propriétés qui sont significativement distinctes de celles de ses homologues en graphite en vrac. Il est bien connu que les avantages les plus notables sont la mobilité rapide des électrons et les hautes résistances mécaniques de ces matériaux.

En conséquence, il démontre le potentiel d'applications dans les domaines de l'optique et de l'électronique, en particulier pour le développement de substrats flexibles pour les appareils électroniques portables. Plus important encore, le graphène a un taux d'absorption optique de 2,3 % dans les régions visible et proche infrarouge du spectre électromagnétique. Cette caractéristique de l'absorption à large bande a également attiré beaucoup d'attention de la part de la communauté des chercheurs, qui s'intéressaient à l'utilisation de photodétecteurs et de modulateurs à base de graphène.

Les oscillations électroniques collectives sont connues sous le nom de plasmons, et elles sont souvent stimulées sur les surfaces métalliques par une source de lumière fluorescente. Il y a eu des cas où des couches de graphène dopées ont montré des phénomènes plasmoniques de surface comparables à ceux des films minces métalliques. Il est possible d'améliorer les performances des dispositifs optoélectroniques en ajustant les propriétés plasmoniques des structures hybrides en combinant le graphène avec des substrats métalliques ou des nanoparticules (comme l'or, l'argent et le cuivre). Cela peut être accompli grâce à l'ingénierie de structures hybrides. Il est possible que les électrons situés dans la structure métallique se déplacent vers la bande de conduction du graphène. La propriété de bande interdite nulle de la nanofeuille de graphène est responsable de cet aspect du matériau.

Il est également possible que les plasmons de graphène se déconnectent de leur environnement et donnent naissance à de véritables plasmons de Dirac dans la gamme de basse énergie, où les longueurs d'onde sont plus longues que la longueur d'amortissement. Il y a eu des observations de ces résonances de plasma de graphène dans le domaine électronique qui s'étend de GHz à THz.

La discipline de la plasmonique du graphène est un domaine de recherche relativement nouveau qui suscite beaucoup d'intérêt et a déjà donné lieu à un manuel.

Lorsque les plasmons résonnaient à la surface du graphène/métal, un puissant champ électrique était créé. Ce champ électrique aurait le potentiel d'augmenter la création de paires électron-trou dans la couche de graphène. Selon la règle de Fermi, le nombre de porteurs d'électrons excités a continué à augmenter de manière linéaire avec l'intensité du champ. Il est possible que l'amélioration plasmonique aboutisse à ce que les porteurs de charge induits de la nanostructure hybride métal/graphène soient jusqu'à sept fois plus élevés que ceux des nanostructures de graphène à l'état naturel.

Les effets plasmoniques du graphène ont été établis pour une variété d'applications jusqu'à présent, allant de la modification de la lumière à la détection biologique et chimique. Il a également été signalé que la photodétection à grande vitesse grâce au graphène à une vitesse de 10 gigabits par seconde a été signalée, ainsi que l'efficacité de la détection multipliée par vingt grâce à l'utilisation de la nanostructure graphène/or. Le meilleur confinement de la plasmonique à la surface du graphène est une autre raison pour laquelle la plasmonique du graphène est considérée comme une bonne alternative aux plasmons de métaux nobles. Ce n'est pas seulement parce que les plasmoniques de graphène sont plus rentables pour la production à grande échelle, mais aussi en raison du confinement plus élevé qu'ils offrent. En utilisant le gate électrostatique, les interactions améliorées entre la lumière et la matière ont pu être affinées et modifiées pour obtenir des performances optimales. En raison des nombreux avantages qu'offre la plasmonique du graphène, il est devenu possible de réaliser la détection de molécules uniques et l'excitation d'un seul plasmon.

{Fin du chapitre 1}

Chapitre 2 :Métamatériau plasmonique

Un type de métamatériau est connu sous le nom de métamatériau plasmonique. Ce type de métamatériau tire parti des plasmons de surface pour produire des caractéristiques optiques qui ne sont pas observées dans la nature. Lorsque la lumière interagit avec des matériaux à la fois métalliques et diélectriques, un phénomène connu sous le nom de plasmon est créé. Dans certaines circonstances, la lumière incidente se couple avec les plasmons de surface pour former des ondes électromagnétiques capables de s'auto-alimenter et de se propager. Ces ondes sont appelées polaritons plasmoniques de surface (SPP). Les SPP provoquent un effet d'ondulation le long du contact métal-diélectrique après leur lancement. Il est possible que les SPP aient une longueur d'onde beaucoup plus courte que la lumière incidente.

La structure distinctive des composites métal-diélectriques, qui présente des caractéristiques plus petites que la longueur d'onde de la lumière et est séparée par des distances inférieures à une sous-longueur d'onde, est à l'origine des caractéristiques. Lorsque la lumière entre en collision avec un tel métamatériau, elle est convertie en polaritons plasmoniques de surface, qui ont une longueur d'onde plus courte que la lumière qui a d'abord frappé le métamatériau.

Des expériences sont menées par un certain nombre d'organismes de recherche pour développer de nouvelles méthodes de production de matériaux plasmoniques qui ont moins de pertes et dont les caractéristiques optiques peuvent être ajustées.

Les métamatériaux plasmoniques sont des exemples concrets de matériaux qui ont été conceptualisés pour la première fois en 1967 par le physicien théoricien russe Victor Veselago. Veselago a postulé que ces matériaux, qui sont parfois qualifiés de gauchers ou d'indice négatif, présenteraient des caractéristiques optiques diamétralement opposées à celles du verre ou de l'air. Lorsque l'énergie est transmise par des matériaux à indice négatif, elle le fait dans une direction opposée à celle des fronts d'onde qui se propagent, au lieu de les mettre en parallèle, comme c'est le cas lorsqu'elle est véhiculée par des matériaux à indice positif.

La lumière qui va d'un milieu à un autre, comme l'air dans l'eau, va, dans des circonstances normales, se courber lorsqu'elle passe à travers le normal (un plan perpendiculaire à la surface) et pénètre dans l'eau. En revanche, la lumière qui traverse l'air avant d'atteindre une substance à indice négatif ne dépassera pas la normale. Au lieu de cela, il se courberait dans l'autre sens.

Le phénomène de réfraction négative a été découvert pour la première fois en relation avec les longueurs d'onde micro-ondes et infrarouges.

En 2005, Shalaev et al. sont devenus les premières personnes à montrer avec succès un indice de réfraction négatif dans le domaine optique.

(à la longueur d'onde des télécommunications λ = 1,5 μm)

Des métamatériaux plasmoniques ayant un indice négatif en trois dimensions ont été prédits à l'aide de simulations informatiques. L'auto-assemblage, le dépôt de couches minces multicouches et le fraisage par faisceau d'ions focalisés sont quelques-uns des processus de fabrication