Une optique à l’échelle atomique

Les dispositifs opto-électroniques ont l’avantage d’allier à la souplesse des circuits électroniques la rapidité due à la vitesse de la lumière. Pour les miniaturiser, on utilise des matériaux à 2 dimensions ayant de fortes  interactions avec la lumière. Pour contrôler optiquement le trajet de la lumière, il faut pouvoir disposer de matériaux ayant un fort indice de réfraction. La molybdénite, MoS2, que l’on obtient aisément en couches minces satisfait à ces critères. Des scientifiques australiens et américains (Australian National University, Canberra, Australie et University of Wisconsin, Madison, USA) ont réussi à fabriquer l’élément optique le plus mince au monde, constitué de quelques couches monoatomiques de MoS2 d’épaisseur inférieure à 6,3 nm. Ils ont aussi réalisé des réseaux à partir de quelques couches monoatomiques de MoS2.

La possibilité de contrôler le flux optique dans des films minces ouvre une nouvelle voie vers la miniaturisation des composants optiques et de leurs fonctions les plus avancées.

Ces composants agissent sur un faisceau optique en modifiant son front d’onde par les variations de chemin optique que celui-ci subit en les traversant.

Le front d’onde est une surface d’égale phase, surface d’égale temps de parcours de la lumière depuis la source. Une lentille peut changer la forme du front d’onde par variation du chemin optique en son sein :

Dans le cas d’un milieu homogène, où l’indice de réfraction n est constant, le chemin optique Lo d’un point A à un point B en ligne droite, est simplement donné par Lo = n.AB, où AB est la distance géométrique entre A et B. On peut aussi écrire Lo = (c/v)AB, où c est la vitesse de la lumière dans le vide, v celle de la lumière dans le milieu traversé.                                                                                                    Crédit Wikipedia. Domaine public.

Les composants optiques miniaturisés réalisés à Canberra sont obtenus à partir du dépôt de couches minces de MoS2 obtenues par exfoliation sur un substrat de SiO2 .

L’obtention de chemins optiques géants

Le chemin optique est lié au trajet géométrique du faisceau optique. Or, dans le cas d’une simple couche atomique d’un matériau à deux dimensions, sa faible épaisseur ne pourrait fournir des chemins optiques assez élevés pour modifier suffisamment le faisceau optique. Mais les chercheurs ont su exploiter les propriétés dues aux diverses interfaces pour, par exemple, obtenir un Lo géant de 38 nm pour une seule couche de MoS2 d’une épaisseur de 0,67nm.

La figure ci-dessous indique les chemins optiques géants obtenus pour des dépôts allant de une à quatre couches de MoS2.


Fig.1. Chemins optiques géants obtenus à partir de couches de MoS2
a) Image au microscope d’un échantillon de MoS2 exfolié sur un substrat de silice SiO2. Les variations de contrastes correspondent à des flocons de MoS2 de différentes épaisseurs. On a repéré par 1,2,3,4 C des surfaces d’une, deux trois ou quatre couches de MoS2 respectivement.
b) Image par interférométrie par décalage de phase de la surface limitée par le rectangle pointillé de a).
c) Mesure de l’épaisseur optique (le produit de l’épaisseur par l’indice de réfraction) du film le long de la ligne pointillée de b).
d) Valeurs du chemin optique géant pour des dépôts de 1, 2, 3, 4 couches de MoS2. L’insert schématise la mesure d’interférométrie par décalage de la phase de surface de MoS2, ФMoS2, et celle, ФSiO2, de la surface du substrat SiO2.
Adapté de Atomically thin optical lenses and gratings, Jiong Yang, Zhu Wang, Fan Wang, Renjing Xu, Jin Tao, Shuang Zhang, Qinghua Qin, Barry Luther-Davies, Chennupati Jagadish, Zongfu Yu and Yuerui Lu
Light: Science & Applications (2016) 5, 11 March 2016. Creative Commons.

Le caractère géant des chemins optiques est dû aux fortes réflexions multiples qui ont lieu aux interfaces air-MoS2 et MoSiO2– SiO2. La figure 2 ci-dessous explicite cela.

 

Fig.2. Un fort indice de réfraction induit un chemin optique géant dans des films ultra-minces.
a) Schéma des réflexions multiples aux interfaces de matériaux 2D ultra-fins à haut indice de réfraction. Ce dernier entraîne un fort coefficient de réflexion. La lumière se réfléchit donc de nombreuses fois dans le matériau et ceci induit un chemin optique fort élevé.
b) Pour un faible indice de réfraction, le chemin optique est bien moins augmenté, en raison du faible coefficient de réflexion.
c) Valeurs obtenues par calcul du chemin optique pour des matériaux de différents indices : 0,67 nm d’or, 0,67 nm de SiO2, une couche(0,34 nm) de graphène et une couche (0,67 nm)de MoS2 déposés sur un substrat de SiO2 épais de 275nm placé sur du silicium Si.
d) Valeurs obtenues par calcul du chemin optique pour une, deux, trois et quatre couches de MoS2 respectivement.
Reproduit de Atomically thin optical lenses and gratings, Jiong Yang, Zhu Wang, Fan Wang, Renjing Xu, Jin Tao, Shuang Zhang, Qinghua Qin, Barry Luther-Davies, Chennupati Jagadish, Zongfu Yu and Yuerui Lu
Light: Science & Applications (2016) 5, 11 March 2016. Creative Commons.

 

La fabrication d’un miroir concave ultra-mince

Pour fabriquer le miroir concave le plus fin au monde, les chercheurs sont partis d’un film uniforme de 9 couches de MoS2 (6,28 nmd’épaisseur) . A l’aide d’une sonde ionique focalisée, on creuse un profil en bol (de 20 nm de diamètre) dans  le film. On obtient ainsi un miroir concave de taille atomique.

La Sonde ionique focalisée ressemble à un microscope électronique à balayage où les électrons focalisés sont remplacés par un faisceau d’ions. Elle est plus connue sous le sigle anglais FIB (focused ion beam).

 

 

Fig.3. Micro-miroir d’une finesse atomique composé de quelques couches de MoS2
a) Image par interférométrie à décalage de phase d’un micro-miroir concave de taille atomique fabriqué à partir d’un flocon de MoS2 de 9 couches d’épaisseur.
b) Schéma en coupe de la structure. Celle-ci est fabriquée par attaque à la sonde ionique focalisée (FIB) avec une résolution d’un atome verticalement et de moins de 20 nm latéralement.
c) Chemins optiques mesurés le long de la ligne pointillée de a).
d) Chemins optiques mesurés pour des dépôts de MoS2 allant de une à 11 couches.
Adapté de Atomically thin optical lenses and gratings, Jiong Yang, Zhu Wang, Fan Wang, Renjing Xu, Jin Tao, Shuang Zhang, Qinghua Qin, Barry Luther-Davies, Chennupati Jagadish, Zongfu Yu and Yuerui Lu
Light: Science & Applications (2016) 5, 11 March 2016. Creative Commons.

 

C’est un miroir concave d’une extrême finesse qu’ont réussi à fabriquer les chercheurs australiens. C’est par microscopie optique à balayage qu’a été caractérisé le micro-miroir. La mesure de sa distance focale f est de -240 µm, en excellent accord avec la valeur calculée à partir du profil de chemin optique mesuré par interférométrie.

La molybdènite se montre  aussi infiniment plus efficace que les autres matériaux 2D typiques évoqués plus haut pour la réalisation de réseaux de diffraction très nécessaires pour le contrôle avancé de la lumière.

Un réseau de diffraction est composé d’une série de structures parallèles (fentes en transmission ou traits réfléchissants en réflexion) qui diffuse la lumière dans  des directions particulières différentes de son incidence.

La figure ci-dessous schématise le réseau ultra-fin réalisé en films minces de MoS2.

 

 

Fig.4. Réseaux de taille atomique obtenus à partir de 8 couches de MoS2
a) Schéma du réseau réalisé et de la mesure de l’efficacité de sa diffraction.
b) Image au microscope à force atomique( AFM, de atomic force microscope en anglais) d’un réseau fabriqué à partir d’un dépôt de MoS2 d’une épaisseur de 8 couches atomiques. Les trois pics sur la figure représentent l’épaisseur des traits du réseau (7,12 nm).                                                                                                       Adapté de Atomically thin optical lenses and gratings, Jiong Yang, Zhu Wang, Fan Wang, Renjing Xu, Jin Tao, Shuang Zhang, Qinghua Qin, Barry Luther-Davies, Chennupati Jagadish, Zongfu Yu and Yuerui Lu
Light: Science & Applications (2016) 5, 11 March 2016. Creative Commons.

 

 

L’extrême uniformité d’épaisseur et la perfection des surfaces atomiques des matériaux 2 D à haut indice de réfraction fournit un moyen extraordinairement précis de contrôler le front des ondes lumineuses. Les chercheurs australiens ont observé des chemins optiques géants dans d’autres métaux de transition dichalcogénides que MoS2. Cela ouvre de riches opportunités pour la construction d’hétéro-structures optoélectroniques par empilement de couches fines  de tailles atomiques. Enfin des composants optiques à deux dimensions présentent un avantage de fabrication comparé aux composants conventionnels 3 D car différentes fonctionnalités peuvent être obtenues dans un seul processus de fabrication 2D.

 

 

 Pour en savoir plus :

Atomically thin optical lenses and gratings,  Jiong Yang, Zhu Wang, Fan Wang, Renjing Xu, Jin Tao, Shuang Zhang, Qinghua Qin, Barry Luther-Davies, Chennupati Jagadish, Zongfu Yu and Yuerui Lu
Light: Science & Applications (2016) 5, 11 March 2016, e16046

 

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