Les caractéristiques optiques et électriques des antennes à nano-fente contrôlées électriquement sont extrêmement sensibles à la région du nano-fente où les champs sont fortement confinés et où les électrons et les photons peuvent interagir. Lors de l'injection d'électrons dans le nano-fente, un canal de conductance s'ouvre entre les surfaces métalliques modifiant la distribution de charge du plasmon et induisant ainsi un commande électrique de la résonance plasmonique dans la fente. L'effet tunnel des électrons à travers la fente peut être exploité pour générer une émission de photons à large bande spectrale avec une efficacité quantique accrue. Dans certaines conditions, l'énergie des photons émis dépasse l'énergie des électrons, et cette émission lumineuse dite de surpolarisation est due à l'émission spontanée des électrons chauds dans l'électrode. Nous concluons avec le potentiel des antennes nano-fente contrôlées électriquement pour une communication plus rapide sur puce.
La concentration de la lumière à des échelles très inférieures à la longueur d’onde a été rendue possible grâce à la structuration d'objets métalliques qui supportent des oscillations collectives d'électrons (plasmoniques) lorsqu'ils interagissent avec un rayonnement électromagnétique. Cet effet de localisation produit des exaltations du champ de plusieurs ordres de grandeur par rapport à la valeur incidente. L’efficacité des interactions lumière-matière est alors fortement augmentée et confinée à l'échelle nanométrique, ce qui a eu un impact sur une grande variété d'applications.
La conception, à des longueurs d'onde sélectionnées, de résonances plasmoniques et des champs intenses correspondants a fait l'objet de nombreuses études. Leur réalisation a été fortement soutenue par les techniques modernes de nano-fabrication et de nano-caractérisation, ce qui a permis l’étude détaillée des propriétés optiques de nanostructures métalliques, isolées ou regroupées en dimères, trimères, oligomères ou films supracristallins.
Les structures dimères se sont avérées particulièrement efficaces pour confiner la lumière, permettant une réduction du volume du mode plus forte qu’avec de nanoparticules uniques. L’interstice nanométrique entre les deux monomères (nanogap), en permettant le contrôle du couplage des plasmons localisés et du volume de confinement, a ouvert de nouveaux horizons pour diverses applications.
Ce résultat a motivé les chercheurs à explorer les propriétés de nanostructures métalliques séparées par un espace à l’échelle nanométrique. Il a été montré que des effets quantiques affectent fortement les champs plasmoniques et électriques des nanostructures en interaction. En effet, lorsque la largeur de l’interstice est suffisamment petite, les électrons peuvent transiter d’une nanoparticule à l’autre par effet tunnel. Lorsqu’une tension est appliquée entre ces nanoparticules, ces électrons peuvent relaxer leur excédent d’énergie par l’émission d’un photon. Cela leur confère des propriétés d'électroluminescence intéressantes pour la conception de dispositifs à commande électrique pour l’émission ou la détection de lumière à l'échelle nanométrique et au fonctionnement ultrarapide.
Cet article passe en revue les travaux récents sur ces nanostructures, également appelées « antennes à nanogap ». Il fournit un aperçu clair des propriétés optoélectroniques fondamentales, ainsi que les possibilités et les contraintes de la fabrication de ces nanostructures.
Références
Electrically driven nanogap antennas and quantum tunneling regime
1Claire Deeb, 2Johann Toudert and 3Jean-Luc Pelouard
Nanophotonics 12(15) : 3029–3051 (2023)
DOI: https://doi.org/10.1515/nanoph-2023-0099
Affiliations
1 Almae Technologies, Route de Nozay, 91460 Marcoussis, France
2 Ensemble3 Centre of Excellence, Warsaw, Polan
3 Centre for Nanoscience and Nanotechnology - C2N, CNRS, Université Paris-Saclay, 10 Bvd T. Gobert, 91120 Palaiseau, France
Mots-clefs
porteurs chauds, effet tunnel inélastique, antenne à nano-fente, émission de photons, régime quantique, jonction tunnel
Figure : Example d’antenne planaire à nano-fente montrant une électroluminescente induite par effet tunnel inélastique: réglage du spectre d'émission, motif et optimisation de la puissance rayonnée.
