Métasurfaces plasmoniques contrôlées électriquement à base de graphène dans le moyen infrarouge

Graphene-based Electrically-tunable Mid-infrared Plasmonic Antenna Metasurfaces

• Auteur / Autrice : Victor Aaron Verdugo Gutierrez
• Direction : Rafael Salas-Montiel, Alexandre Vial
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Optique et Nanotechnologie
• Date : Soutenance le 11/12/2023
• Etablissement(s) : Troyes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Troyes, Aube)
• Partenaire(s) de recherche : Organisme gouvernemental étranger : Consejo nacional de ciencia y tecnología (México)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Lumière- nanomatériaux et nanotechnologies / L2n
• Jury : Président / Présidente : Gilles Lérondel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rafael Salas-Montiel, Alexandre Vial, Gilles Lérondel, Patrick Bouchon, Anne-Laure Fehrembach, Yannick De Wilde
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Bouchon, Anne-Laure Fehrembach

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanophotonique

Rayonnement infrarouge

Plasmons

Graphène

Antennes (électronique)

Métamatériaux

Mots clés libres

Métamatériaux

Antennes (électronique)

Graphène

Plasmons

Rayonnement infrarouge

Nanophotonique

Metamaterials

Antennas (Electronics)

Graphene

Plasmons (Physics)

Infrared radiation

Nanophotonics

Résumé

Les métasurfaces (MS) sont des structures artificielles plus petites que la longueur d'onde du rayonnement incident qui peuvent produire des caractéristiques optiques uniques qui ne se trouvent pas dans la nature. Les MS métal-isolant-métal (MIM) sont l'une des plus largement utilisées comme absorbants et émetteurs parfaits. Malgré des progrès considérables, le manque d'accordabilité demeure un obstacle à l'utilisation des MS. Le graphène est un matériau idéal pour moduler la résonance des absorbeurs de MS en raison de sa structure de bande unique, de sa résistance mécanique et de son profil ultra-fin. Nous présentons ici la modélisation numérique, la fabrication et l'imagerie par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier d'absorbeurs de MS. Ils sont constitués d'un réseau de nanoantennes en or sur une couche diélectrique, suivie d'un substrat en or, où une couche de graphène sert d'activation. Aussi, nous avons confirmé leur validité dans la gamme infrarouge moyen en calculant les spectres de réflexion et d'absorption ainsi que les cartes de champs électriques et magnétiques des MS MIM de Babinet, Lorentz et Kirchhoff grâce à des simulations basées sur le domaine temporel à différence finie. Il a été démontré que ces MS suivent les principes même s'il y a une couche de graphène. Cependant, il y a des variations mineurs en raison de l'excitation des plasmons de surface du graphène. Nos résultats peuvent être utilisés dans la création de MS à sélectivité en fréquence électromagnétique, de polariseurs, de sources thermiques cohérentes et de détecteurs.

Metasurfaces are engineered artificial structures much smaller than the the wavelength of the incident radiation that can produce unique optical features that are not found in nature. Metal-insulator-metal (MIM) antenna metasurfaces are one of the most widely used as perfect metasurface absorbers and emitters. Although considerable progress has been made, the lack of dynamic tunability remains a significant obstacle for the application of metasurfaces. Due to its unique band structure, mechanical strength, and ultra-thin profile, graphene is an ideal material for modulating the resonance of metamaterial absorbers. In this work, we present the numerical modeling, nanofabrication and imaging through Fourier transform infrared spectroscopy of plasmonic metasurface absorbers. They consist of an array of gold nanoantennas on a dielectric layer followed by gold substrate in a MIM configuration with graphene layer a tuning enabler. Also, through finite-difference time-domain (FDTD) -based simulations, we calculated reflection and absorption spectra as well as electric and magnetic field maps of Babinet’s, Lorentz’s, and Kirchhoff’s MIM metasurfaces to confirm their validity in the mid-infrared range. We found that, even with a graphene layer, these metasurfaces comply the principles, but slight variations appear due to the excitation of surface plasmon polaritons and graphene surface plasmons. Our findings can be applied to the development of electric and magnetic frequency selectivity metasurfaces, polarizers, coherent thermal sources and detectors.