Un nouveau métal plasmonique

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 14029 (2023) Citer cet article

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La détection des couleurs constitue l’un des principaux intérêts des applications biologiques et industrielles. Plus précisément, la détermination des caractéristiques des ondes lumineuses est vitale en technologie photonique. L’une des caractéristiques du sens de la couleur qu’il convient de découvrir est sa longueur d’onde ou sa couleur. Dans ce travail, nous proposons une structure qui peut être utilisée pour détecter les couleurs RVB séparément de manière efficace. Le détecteur proposé se compose du filtre plasmonique détectant la longueur d'onde souhaitée (rouge, vert et bleu) et de la diode PN pour convertir les photons reçus en courant électrique. À l'intensité d'entrée de 1 mW × cm−2, la densité de courant pour les couleurs bleue, verte et rouge est respectivement de 27, 35 et 48 µA × cm−2. Il est montré que les intensités nécessaires pour obtenir les densités de courant de 0,1 µA × cm−2 sont respectivement de 3,94, 2,98 et 2,25 µW × cm−2 pour les spectres bleu, vert et rouge. Il convient de mentionner qu'en utilisant des structures de photodétecteurs de haute précision telles que la diode PIN, le niveau minimum détectable peut être diminué. Un réglage simple pour la longueur d'onde souhaitée et un fonctionnement linéaire pour différentes intensités d'entrée sont les caractéristiques de la structure conçue. Ce détecteur est compatible avec la technologie CMOS et peut être facilement utilisé dans de nombreuses applications, telles que les dispositifs à couplage de charge, les écrans et les caméras.

Depuis l’apparition de la technologie photonique, la conception d’un détecteur efficace intéresse beaucoup les chercheurs. Les photodétecteurs sont des dispositifs dans lesquels l'intensité de la lumière incidente est convertie en courant électrique. Généralement, cette conversion est sensible à la longueur d'onde de la lumière incidente. Les détecteurs infrarouges (IR) et de lumière visible (VLD) ont une myriade d'applications dans des domaines photoniques tels que l'imagerie médicale et militaire, la communication optique et les caméras modernes1,2,3,4,5,6,7,8. Le spectre électromagnétique compris entre 400 et 700 nm est appelé lumière visible et doit être détecté via les VLD. La détection séparée et efficace des couleurs rouge, vert et bleu (RVB) est la tâche fondamentale des VLD. En d’autres termes, un filtrage des couleurs doit être effectué dans ces détecteurs.

La détection des couleurs est la fonction de base des dispositifs de détection d'images tels que ceux basés sur CMOS9,10,11 et les hologrammes multicolores12. Les filtres colorés à base de pigments et de colorants sont traditionnellement utilisés dans les dispositifs électroluminescents organiques (OLED) et les écrans à cristaux liquides (LCD)13,14. Ces filtres ne sont pas suffisamment fiables car les matériaux organiques ont une faible stabilité chimique11. De plus, les matériaux organiques filtrants sont incompatibles avec les procédés d’intégration11. L'utilisation de métamatériaux, de guides d'ondes à nanofils, de points quantiques et de plasmoniques sont des alternatives à la conception de filtres colorés15,16,17,18. Dans le phénomène plasmonique, la résonance de surface à l’interface métal-isolant, appelée résonance plasmonique de surface (SPR), peut être utilisée pour concevoir une structure multicouche destinée à piéger une longueur d’onde souhaitée et à agir comme un filtre19,20,21. La simple mise en œuvre de structures plasmoniques amène les chercheurs à utiliser la plasmonique dans de vastes applications telles que le guidage d'ondes, la détection optique, les absorbeurs et les filtres22,23,24,25. D'un point de vue filtrage, la structure plasmonique peut être facilement ajustée par l'épaisseur de la couche isolante pour modifier la fréquence de résonance et, par la suite, le spectre filtré26,27,28.

Les filtres plasmoniques peuvent être principalement divisés en deux types : statiques et dynamiques29. Contrairement au cas statique, le cas dynamique présente des caractéristiques différentes en fonction de la polarisation de la lumière incidente30,31, de la chaleur ou de la contrainte mécanique appliquée au dispositif32,33,34. Les nanotrous à réseau, périodiques, sub-longueurs d'onde et hybridés35,36,37 et les réseaux de nanodisques17,37 sont quelques exemples introduits pour les filtres statiques. La durabilité et la résolution des filtres plasmoniques sont meilleures que celles des filtres non plasmoniques. Pour cette raison, nous avons utilisé la structure plasmonique pour concevoir le filtre couleur29,38,39,40.