Brevet FR2931560A1 — publié le 20091127

Dispositif de focalisation de lumière à des dimensions sub-longueur d'onde à fort rendement. Le domaine de l'invention est celui des dispositifs de focalisation optique à des dimensions sub-longueur d'onde. On entend par dispositif de focalisation optique sub-longueur d'onde un dispositif qui, lorsqu'il est éclairé, permet la création de sources secondaires ayant des dimensions nettement inférieures à la longueur d'onde. Les applications de ces types de sources secondaires sont très nombreuses et concernent aussi bien les domaines de la nanolithographie et de l'enregistrement optique que la biologie, la microscopie, ... On sait qu'en optique classique, une des limites à la taille des sources lumineuses est liée à la diffraction de la lumière, les sources ayant des dimensions minimales de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde. Différentes techniques permettent de franchir cette barrière et de réaliser des dispositifs de focalisation de lumière, qui, lorsqu'ils génèrent des sources de dimensions de l'ordre de grandeur de quelques nanomètres ou de quelques dizaines de nanomètres, sont communément appelés des nanosources. Une des principales techniques utilisées consiste à illuminer un trou de dimension inférieure à la longueur d'onde percé dans un film métallique. On obtient ainsi un spot lumineux en sortie du trou de taille sub- longueur d'onde. Par ce seul moyen, il est difficile d'obtenir une intensité élevée et une bonne directivité. Aussi, différentes techniques de perfectionnement ont été proposées pour améliorer ces paramètres. La première de ces techniques est dite à émission renforcée par excitation de plasmons de surface. Les plasmons sont des solutions particulières aux équations de Maxwell à l'interface entre certains milieux, notamment métalliques. Les dispositifs de focalisation optique selon cette technique comportent comme indiqué sur les figures 1 et 2 des réseaux métalliques concentriques 2 centrés sur le trou de focalisation 1. Une lentille macroscopique 3 peut compléter le dispositif. La figure 1 est une vue en coupe schématique du dispositif et la figure 2 une vue de dessus des réseaux métalliques 2 du même dispositif. Lorsqu'on illumine ce dispositif, des plasmons de surface sont générés. La propagation puis le couplage de ces plasmons avec les modes du trou induit alors une augmentation du flux total introduit dans l'ouverture sub-longueur d'onde et permet d'améliorer le rendement énergétique du dispositif. On appelle rendement le rapport entre la puissance lumineuse transmise à travers l'ouverture sub-longueur d'onde et la puissance lumineuse totale avec laquelle le dispositif est éclairé. On trouvera des exemples de ce type de dispositifs dans les demandes de brevet ou brevets US 6834027, US 6982844, US 7085220, US 7149395, US 7154820, WO 2006/067734 et US 2007/0048628 et dans les publications suivantes : Science 297, 820 (2002) û Phys. Rev. Lett. 90, 167401 (2003) û Opt. Expr. 12, 3694 (2004) - J.Opt. Soc. Ame ; B 23, 419 (2006) û Opt. Expr. 15, 7984 (2007) et Phys. Rev. Lett. 99, 043902 (2007). Cette technique permet d'améliorer de façon significative la transmission du flux optique à travers l'ouverture. Cependant, ce dispositif présente encore un rendement médiocre. Dans ce type d'application, on considère qu'un bon rendement doit se situer au-delà de 10% et un très bon rendement au-delà de 20%. De plus, la taille du spot obtenu reste au minimum de l'ordre de quelques centaines de nanomètres, ce qui peut s'avérer insuffisant pour certaines applications. La seconde de ces techniques est dite à confinement renforcé par utilisation de plasmons de surface. Le but de cette technique est de permettre la génération d'un point chaud intense et fortement localisé. Le principe consiste à propager des plasmons le long d'un guide ou d'une pointe métallique 4 appelé � taper � dont la section diminue progressivement. Le champ des plasmons est ainsi progressivement confiné sur une très petite section, phénomène qui s'accompagne en conséquence d'une augmentation de l'intensité du champ. Les figures 3 et 4 illustrent deux modes de réalisation possibles de cette technique. Sur la figure 3, le � taper � est constitué d'un guide métal-diélectrique-métal. La partie diélectrique a une forme triangulaire assurant le confinement. Dans cet exemple, la section du � taper � varie de 50 nanomètres dans sa plus grande largeur à 1 nanomètre seulement dans sa plus faible largeur (à droite de la figure 3). Le métal peut être de l'argent et le diélectrique de la silice. Sur la figure 4, le � taper � 4 est constitué d'une pointe métallique nanostructurée. Sur cette figure, la flèche verticale représente l'onde d'excitation et la flèche horizontale l'onde plasmonique engendrée. On trouvera des exemples de ce type de dispositifs dans les brevets US 7106935, US 2006/0274611 et les publications Phys. Rev. Lett. 97, 176805 (2006) et Nano Lett. 7, 2784 (2007) ainsi que dans la thèse de J. Conway (UCLA, 2006). Dans ce cas, les résultats de confinement du champ sont très concluants. Ainsi, il est possible d'obtenir des tailles de spot de moins de 10 nanomètres. Ce type de dispositif reste cependant difficile à réaliser expérimentalement et possède un mauvais rendement. La dernière technique d'obtention d'un dispositif de focalisation optique repose sur la focalisation de plasmons de surface. Le principe consiste à exciter des plasmons selon différentes directions de façon que leur propagation dans chacune de ces directions les fasse converger en un point unique et génère ainsi un spot intense de faibles dimensions. A titre d'exemples, les figures 5 et 6 illustrent deux modes de réalisation possibles de cette technique. Sur la figure 5, la focalisation des plasmons est obtenue par le biais de réseaux 5 à pas variable positionnés en sortie d'un trou sublongueur d'onde 1. Sur la figure 6, la focalisation est obtenue par l'excitation de plasmons le long d'une chaîne parabolique de nanoparticules 6. On trouvera des exemples de ce type de dispositifs dans les publications suivantes: Nature Phys. 3, 301 (2007), Appl ; Phys. Lett. 91, 061124 (2007), J. Opt ; soc. Am. A 25, 238 (2008) et Opt. Expr. 15, 6576 (2007). Cette technique possède l'avantage de permettre un contrôle direct de la distance entre la structure et la position du spot lumineux généré. La dimension de celui-ci reste cependant relativement élevée, ce qui peut être gênant pour certaines applications. Ces techniques présentent un certain nombre d'inconvénients. Dans le cas de l'émission renforcée par excitation de plasmons de surface ou de la focalisation de plasmons de surface, la taille du spot lumineux obtenu reste assez grande, de l'ordre de quelques centaines de nanomètres si on considère le domaine des longueurs d'onde visibles, ce qui reste insuffisant dans bon nombre d'applications manipulant le champ à l'échelle nanométrique comme la lithographie ou le stockage optique haute densité. La technique à confinement renforcé par utilisation de plasmons de surface permet un confinement important du champ. Cependant, elle est plus difficile à mettre en oeuvre et le rendement de ces structures reste assez faible, de l'ordre de quelques pour cents. Dans le cas de l'émission renforcée par excitation de plasmons de surface, le rendement est aussi insuffisant. Le point source secondaire produit par le dispositif de focalisation selon l'invention ne présente pas ces inconvénients. Le principe mis en oeuvre consiste à renforcer l'émission d'un dispositif de focalisation composé d'au moins une ouverture sub-longueur d'onde qui peut être, par exemple, une fente percée dans un film métallique, la dite ouverture étant surmontée d'une cavité optique qui augmente le rendement du dispositif. Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif de focalisation optique comprenant au moins une structure de focalisation comportant un film métallique comportant au moins une ouverture traversant le film et de dimensions d'un ordre de grandeur inférieures à la longueur d'onde d'utilisation du dispositif de focalisation, caractérisé en ce que la structure de focalisation comporte au moins une cavité optique, la cavité optique débouchant sur l'ouverture de façon que, lorsque la structure est éclairée par un flux optique à la longueur d'onde d'utilisation du dispositif de focalisation, une partie importante de ce flux est concentrée sur l'ouverture ou les ouvertures par ladite cavité. Préférentiellement, le film métallique comporte une seule ouverture traversant le film. Avantageusement, la cavité optique est centrée sur l'ouverture. Dans un premier mode de réalisation, la cavité optique peut comporter au moins un miroir, le miroir étant constitué d'une alternance de couches formant des motifs réfléchissant les plasmons disposés sur le film, les couches étant constituées alternativement de métal et de matériau diélectrique et faisant fonction de réflecteurs à plasmons, lesdits plasmons étant générés lorsque la structure de focalisation est éclairée par un flux optique à la longueur d'onde d'utilisation du dispositif de focalisation optique. Avantageusement, dans ce cas, le pas des motifs réfléchissant les plasmons est sensiblement égal à la moitié d'une longueur d'onde des plasmons. Avantageusement, les couches sont concentriques, centrées sur l'ouverture et disposées sur le film. Dans un second mode de réalisation, la cavité est un trou réalisé dans le film métallique débouchant sur au moins une ouverture, le diamètre de la cavité étant d'un ou deux ordres de grandeur supérieur aux dimensions de ladite ouverture et sa profondeur étant inférieure à l'épaisseur du film métallique. Dans un troisième mode de réalisation, la cavité est un trou réalisé dans le film métallique débouchant sur au moins une ouverture et la structure comporte une alternance de couches formant des motifs, disposées sur le film, les couches étant constituées alternativement de métal et de matériau diélectrique et dont la fonction est de renforcer la génération de plasmons. Préférentiellement, le pas des motifs renforçant la génération des plasmons est sensiblement égal à un nombre entier de longueurs d'onde de plasmons. Le film peut comporter une seule ouverture et la cavité peut être centrée sur l'ouverture. La section des motifs peut être soit de forme sensiblement rectangulaire, soit de forme sensiblement trapézoïdale. Avantageusement, le film est un métal apte à supporter des plasmons à la longueur d'onde considérée. Préférentiellement, le film est en argent ou en or pour des applications dans le visible et dans l'infra-rouge et en aluminium pour des applications dans l'ultraviolet. Avantageusement, le matériau diélectrique est transparent à la longueur d'onde d'illumination. Selon une caractéristique, le matériau diélectrique pour des applications dans le visible est de la silice, de la résine ou encore du polyméthylmétacrylate (PMMA). Avantageusement, le dispositif de focalisation optique comporte un substrat sur lequel est disposée la structure de focalisation, le substrat 30 comportant une couche constituée d'un matériau luminescent. Cette caractéristique présente l'avantage d'utiliser directement le matériau luminescent comme une source d'illumination pour le fonctionnement du dispositif de focalisation L'invention concerne également le procédé de réalisation d'un dispositif de focalisation optique selon les caractéristiques définies ci-dessus, tel que: • Dans une première étape, une couche de matériau diélectrique 5 est déposée sur un substrat ; • Dans une seconde étape, les couches constituant la cavité et /ou les motifs sont gravées par lithographie dans la couche de matériau diélectrique ; • Dans une troisième étape, un film métallique est déposé, par 10 exemple, par évaporation ou par pulvérisation ou par � spincoating � (le � spin-coating � étant une technique permettant d'obtenir des dépôts uniformes par centrifugation à haute vitesse) sur les motifs de la couche de matériau diélectrique de façon à constituer la cavité et /ou les motifs ; 15 • Dans une quatrième étape, le film métallique est percé en particulier au moyen d'un faisceau d'ions focalisés de façon à réaliser la première ouverture. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 20 apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : Les figures 1 et 2 représentent un premier mode de réalisation d'un dispositif de focalisation optique selon l'art antérieur ; Les figures 3 et 4 représentent deux variantes d'un second mode 25 de réalisation d'un dispositif de focalisation optique selon l'art antérieur ; Les figures 5 et 6 représentent deux variantes d'un troisième mode de réalisation d'un dispositif de focalisation optique selon l'art antérieur ; Les figures 7 et 8 représentent un premier mode de réalisation 30 d'un dispositif de focalisation optique selon l'invention ; Les figures 9 et 10 représentent un second mode de réalisation d'un dispositif de focalisation optique selon l'invention ; La figure 11 représente un troisième mode de réalisation d'un dispositif de focalisation optique selon l'invention ; La figure 12 représente un quatrième mode de réalisation d'un dispositif de focalisation selon l'invention ; La figure 13 représente les différentes étapes du procédé de réalisation d'un dispositif de focalisation optique selon l'invention. Comme il a été dit, le coeur du dispositif selon l'invention consiste à créer au-dessus d'au moins une ouverture sub-longueur d'onde du dispositif de focalisation optique une cavité servant en particulier de réservoir de champ. Il existe différentes techniques de réalisation de cette cavité. 10 A titre de premiers exemples de réalisation illustrés en figures 7 et 8, le dispositif de focalisation optique est à miroirs réflecteurs de plasmons 7. Le dispositif est composé d'une ouverture 1 sub-longueur d'onde percée dans un film métallique 10 à proximité duquel on place des réflecteurs de 15 plasmons 7 formés par une alternance de couches entourant l'ouverture. Ces couches sont constituées alternativement en métal et en matériau diélectrique (voir sur ce sujet Weber et al., Phys. Rev. B 70, 235406 (2004) et Nano Lett. 7, 1352 (2007)). Ces miroirs créent une cavité autour de l'ouverture et concentrent le flux lumineux au voisinage de celle-ci, entraînant 20 d'une part une diminution des pertes du système et d'autre part une augmentation de la quantité de champ susceptible de se coupler dans l'ouverture. La conjugaison des deux phénomènes conduit alors à une augmentation de l'intensité en sortie du dispositif. Les couches peuvent être disposées soit de façon symétrique comme illustré en figure 7 ou 25 dissymétriques comme illustré en figure 8. De la même façon, elles peuvent être soit centrées sur l'ouverture comme illustré en figure 7, soit décentrées comme illustré en figure 8. Le dispositif peut également comporter soit une ouverture (cas des figures 7 et 8), soit plusieurs ouvertures. 30 A titre de seconds exemples de réalisation illustrés en figures 9 et 10, le dispositif de focalisation optique est à cavité métallique résonante. II est composé essentiellement d'une ouverture sub-longueur d'onde 1 percée dans un film métallique 10, la cavité étant alors un trou 8 réalisé dans le film métallique débouchant soit sur une ouverture unique (cas de la figure 9), soit 35 sur plusieurs ouvertures (cas de la figure 10), le diamètre de la cavité étant5 d'un ou deux ordres de grandeur supérieur aux dimensions des ouvertures et sa profondeur étant inférieure à l'épaisseur du film métallique. On augmente ainsi l'efficacité du système précédent en remplaçant l'alternance métal/diélectrique des miroirs réflecteurs de plasmons par un film métallique unique. On obtient ainsi une meilleure réflectivité, ce qui réduit les pertes par absorption dans les miroirs. Cette disposition permet ensuite d'augmenter la quantité de champ susceptible de se coupler et d'être transmise à travers l'ouverture. Cette cavité entièrement métallique supporte en effet des modes propres (voir sur ce sujet l'article de Phys. Rev. B 75, 035411 (2007)) dont l'excitation conduit à concentrer le champ dans celle-ci. La cavité se comporte à la fois comme un concentrateur et un réservoir d'énergie pour la transmission à travers l'ouverture sub-longueur d'onde, ce qui a pour conséquence d'augmenter l'intensité du spot lumineux en sortie. A titre de troisième exemple de réalisation illustré en figure 11, le dispositif de focalisation optique est une cavité métallique résonante 8 renforcée par plasmons de surface. Ce dispositif a pour but d'optimiser le dispositif précédent, le but étant d'augmenter au maximum l'intensité du spot lumineux en sortie et donc d'améliorer l'efficacité du système. Tandis que les deux premières réalisations consistent à confiner le champ au voisinage de l'ouverture et à limiter les pertes au sein de la structure, ce mode de réalisation a pour objectif supplémentaire d'introduire un maximum de flux dans la cavité, c'est-à-dire d'exploiter au maximum la puissance fournie par l'illumination incidente. Le principe consiste à ajouter des réseaux métalliques 14 en bord d'une cavité 8 telle que décrite en figure 11 de manière que leur illumination induise la génération de plasmons de surface. Plus précisément, la structure comporte une alternance de couches entourant la cavité 8 et disposées sur le film 10, les couches étant constituées alternativement de métal et de matériau diélectrique et dont la fonction est de renforcer la génération de plasmons. Comme illustré par les flèches en gras de la figure 11, la propagation puis la diffraction de ces plasmons au niveau des bords supérieurs de la cavité permet alors leur couplage avec les modes propres de celle-ci et conduit à une augmentation du champ présent dans la cavité.35 A titre de quatrième exemple de réalisation illustré en figure 12, le dispositif de focalisation est réalisé sur un substrat d'épaisseur variable, l'épaisseur au centre étant supérieure à l'épaisseur en périphérie du substrat. Ce substrat peut être, par exemple, convexe. Les couches constituant les motifs réfléchissant ou renforçant la génération de plasmons peuvent posséder une section qui ne soit pas nécessairement rectangulaire, par exemple trapézoïdale comme illustré en figure 12. Pour des applications en lumière visible (autour d'une longueur 10 d'onde voisine de 530 nanomètres), on peut, à titre d'exemple, utiliser comme matériaux : • un substrat transparent, par exemple en verre, • une couche de diélectrique, par exemple un oxyde, de la silice, une résine, du polyméthylmétacrylate (PMMA) dans laquelle on grave 15 les différentes couches constituant la cavité et /ou les motifs et qui constitue la couche de matériau diélectrique et, • un revêtement métallique ou en alliage qui supporte des plasmons à la longueur d'onde d'utilisation, le revêtement étant disposé sur la dite couche de matériau diélectrique. 20 Un métal apte à supporter des plasmons à la longueur d'onde d'utilisation est nécessaire. A titre d'exemple, il est possible d'utiliser de l'argent ou de l'or qui sont des métaux aptes à supporter les plasmons dans le visible et l'infra-rouge. Pour des applications dans l'ultraviolet, on peut 25 utiliser de l'aluminium. II est à noter en outre que le matériau diélectrique est transparent à la longueur d'onde d'illumination. Le substrat peut être constitué d'un matériau luminescent. 30 Différents types d'excitation sont possibles pour obtenir la luminescence tels que la photoluminescence ou l'électroluminescence. Il est à noter que dans le cas de la photoluminescence, le matériau est éclairé à une longueur d'onde donnée et émet de la lumière à une autre longueur d'onde. Dans le cas de l'électroluminescence, un potentiel électrique est appliqué au 35 matériau luminescent et celui-ci émet de la lumière. Lorsque le matériau luminescent est éclairé ou lorsqu'un potentiel est appliqué, le matériau luminescent émet de la lumière à la longueur d'onde d'utilisation du dispositif de focalisation. La lumière émise par le matériau luminescent est directement utilisée comme source d'illumination du dispositif de focalisation. Selon une variante, le substrat peut comporter un matériau transparent et au moins une couche constituée d'un matériau luminescent. A titre d'exemple, un procédé de réalisation des dispositifs de focalisation optique selon l'invention est détaillé en figure 13. Ce procédé qui s'applique indifféremment aux différents types de dispositifs de focalisation optique selon l'invention comporte essentiellement les quatre étapes suivantes : • Dans une première étape A, une couche de matériau diélectrique 11, par exemple du PMMA est déposée sur un substrat, par exemple en verre 12 ; • Dans une seconde étape B, les structures constituant la cavité et /ou les motifs sont gravés par lithographie, par exemple électronique dans la couche 11 de matériau diélectrique (créneaux 13 sur la figure B) ; • Dans une troisième étape C, un film métallique 10 qui peut être en argent, est déposé, par exemple par évaporation ou par pulvérisation ou par � spin-coating �, sur les motifs de la couche 11 de matériau diélectrique de façon à constituer la cavité et /ou les motifs ; • Dans une quatrième étape D, le film 10 métallique est percé, par exemple, au moyen d'un faisceau d'ions focalisés de façon à réaliser la ou les ouvertures 1. Une étape supplémentaire de planarisation du film métallique 30 après dépôt peut s'avérer nécessaire afin de planariser la surface de sortie. A titre d'exemple, les différents paramètres géométriques des dispositifs de focalisation optique selon l'invention ont les valeurs suivantes, pour des applications en lumière visible (longueur d'onde voisine de 530 nanomètres), ce qui correspond, dans le cas de l'argent et du PMMA, à une longueur d'onde de plasmons Î~sp de l'ordre de 320 nm : • Diamètre du dispositif de focalisation optique : de l'ordre de un à plusieurs microns ; • Largeur de l'ouverture ou des ouvertures sub-longueur d'onde : environ 30 nanomètres ; • Profondeur de l'ouverture ou des ouvertures sub-longueur d'onde : environ 60 nanomètres ; • Diamètre de la cavité métallique : de l'ordre de la longueur d'onde ou sensiblement égal à un nombre entier de longueur d'onde de plasmons Âsp, à savoir 310 nanomètres ; • Profondeur de la cavité métallique : 100 à 200 nanomètres ; • Pas des motifs réfléchissant les plasmons : de l'ordre de quelques centaines de nanomètres. Avantageusement, le pas est sensiblement égal à la moitié d'une longueur d'onde de plasmons 2.,s p. • Pas des motifs renforçant la génération des plasmons : de l'ordre de quelques centaines de nanomètres. Avantageusement, le pas est sensiblement égal à un nombre entier de longueurs d'onde de plasmons a,sp: 320 nanomètres ; • Hauteur des motifs réfléchissant les plasmons : 75 nanomètres et hauteur des motifs renforçant la génération des plasmons : 15 nanomètres ; • Nombre de motifs : quelques unités à quelques dizaines unités. Avec ces dispositifs, il est possible de réaliser des spots de 70 nanomètres dans le visible avec un rendement qui peut atteindre près de 30 pourcents. Les dispositifs de focalisation optique selon l'invention constituent, lorsqu'ils sont éclairés des sources optiques de champ proche compactes et efficaces qui ont de multiples applications. Celles-ci vont de la nanolithographie où ces sources peuvent être utilisées pour faire de la lithographie en champ proche point par point haute résolution au stockage optique. Dans ce cas, elles peuvent être insérées dans les systèmes d'écriture ou de lecture haute capacité, par exemple dans des systèmes incluant des � SIL �, acronyme de � Solid Immersion Lenses �. On peut également les utiliser en biologie où elles permettent d'analyser de très faibles volumes, de renforcer l'excitation de fluorescence et de diminuer le temps de diffusion des molécules ou dans les domaines de la microscopie ou de l'éclairage. Dans cette dernière application, l'insertion d'un milieu émetteur de lumière en amont de la structure du dispositif de focalisation en fait une source compacte directement intégrable au reste du système. A titre d'exemples non limitatifs, les dispositifs de focalisation optique peuvent également être appliqués au domaine des pinces optiques où leur fort rendement permet de résoudre le problème de l'énergie disponible et d'utiliser des sources d'illumination de plus faible puissance et plus facilement manipulables. Leur géométrie peut aussi être adaptée pour sélectionner des longueurs d'onde de transmission et être ainsi employées dans la réalisation de pixels couleur � RGB � pour l'imagerie. Ces dispositifs à fort rendement peuvent également permettre 20 d'améliorer le rendement de détection dans les domaines des dispositifs de photodétection en diminuant le niveau de bruit associé. Enfin, ils peuvent être insérés sous une géométrie à deux dimensions en entrée ou en sortie d'un guide d'onde pour confiner la lumière de manière efficace.