Projet ANR-10-BLAN-1016 – HYNNA : Nanosources hybrides métal/semiconducteur pour la nanooptique
Programme : Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie :  Nanosciences (Blanc SIMI 10) 2010
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur PLAIN Jérôme (UNIVERSITE DE TECHNOLOGIE DE TROYES)
Partenaires : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne; Laboratoire de Physique des Solides; Institut Charles Delaunay
Montant : 570000.0 euros
Date de début : 2010
Durée : 36 mois
Résumé : Un des défis majeurs auquel la communauté de la nano-optique aura a répondre dans les années à venir sera d’arriver à concentrer l’énergie lumineuse à l’échelle du nanomètre de façon à créer une nanosource optique intense à même d’alimenter les futurs dispositifs nanophotoniques. De telles nanosources intenses seront bénéfiques pour des applications telles que la détection ultra-sensible de nanoobjets en chimie et biologie par spectroscopie Raman exaltée (SERS) ou hyper-Raman, l’imagerie de fluorescence à haute résolution, l’adressage de micro- ou nanostructures semi- conductrices, et des applications biomédicales. Une approche innovante pour la réalisation de nanosources optiques intenses a été proposée théoriquement en 2003 par Bergman et Stockman sous l’acronyme SPASER – pour Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Le spaser est l’analogue nano- plasmonique du laser où la cavité résonante est remplacée par une nanoparticule métallique (NPM) de métal noble et où les photons sont remplacés par les modes plasmons localisés supportés par cette NPM. Les plasmons de surface présentent les propriétés recherchées pour l’apparition d’un effet laser par émission stimulée puisque, comme les photons, ce sont des bosons (ils peuvent donc s’accumuler de façon cohérente sur un mode unique) et qu’ils interagissent peu entre eux. Comme dans un laser classique, la source d’énergie du spaser sera un milieu à gain excitable de façon externe (optiquement ou électriquement). On voit ainsi que par analogie directe avec le laser, le spaser est une source locale, intense et cohérente de champs optiques à l’échelle du nanomètre.  
L’objectif de ce projet est de concevoir et de caractériser des nanosources d’énergie intenses basées sur des nanoparticules hybrides métal/semiconducteur. En couplant un matériau luminescent à une nanoparticule métallique, on pourra amplifier l’émission lumineuse de la particule hybride résultante et ainsi obtenir une nanosource plus intense. 
Le projet est organisé en trois tâches. La première tâche concerne la synthèse et la caractérisation de la cavité de notre spaser: les nanoparticules métalliques (typiquement en or ou en argent). Deux approches complémentaires seront utilisées en caractérisation: le EELS (spectroscopie de pertes d’énergie d’électrons) et la spectroscopie optique permettront pour l’une de visualiser tous les modes existant dans la cavité et pour l’autre de visualiser seulement les modes excités optiquement. L’optimisation de la cavité sera réalisée en utilisant une nouvelle technique basée sur une sonde moléculaire. La fabrication et l’étude des matériaux semiconducteurs (le milieu à gain du spaser) seront réalisées dans la seconde tâche de ce projet en combinant différentes approches tant en fabrication qu’en caractérisation. En particulier nous nous attacherons à étudier différents moyens d’excitation de la luminescence (électronique, optique...). Une étude systématique de la durée de vie de luminescence sera réalisée.  La troisième tâche de ce projet concerne la fabrication et la caractérisation des différents types de spasers crées et sera effectuée à travers l’étude de la réponse optique de ces structures (spectroscopies optique : photoluminescence et photoluminescence résolue en temps). Une spectroscopie EELS hors équilibre à l’échelle nanométrique sera développée dans le cadre de cette tâche. 
Le caractère innovant de ce projet est de réaliser pour la première fois des nanolasers (spaser) intégrés sur substrat. Le fait de pouvoir intégrer de tels nanolasers ouvre la porte à de nouvelles applications basées sur un générateur de champs optiques cohérents à l’échelle nanométrique. Les spaser offrent ainsi la possibilité d’explorer des interactions extrêmes entre la lumière et la matière ouvrant de nouvelles perspectives pour les composants photoniques, la biosensorique ou encore l’information quantique.