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Jun 25, 2023

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Scientific Reports volume 6, Numéro d'article : 21818 (2016) Citer cet article 4108 Accès 35 Citations 5 Détails des mesures altmétriques Les matériaux à cristaux photoniques sont basés sur une modulation périodique de la

Scientific Reports volume 6, Numéro d'article : 21818 (2016) Citer cet article

4108 Accès

35 citations

5 Altmétrique

Détails des métriques

Les matériaux à cristaux photoniques sont basés sur une modulation périodique de la constante diélectrique sur des échelles de longueur comparables à la longueur d'onde de la lumière. Ces matériaux peuvent présenter des bandes interdites photoniques ; régions de fréquence pour lesquelles la propagation du rayonnement électromagnétique est interdite en raison de l'appauvrissement de la densité d'états. Afin de présenter une bande interdite complète, les PC 3D doivent présenter un seuil de contraste d’indice de réfraction qui dépend de la structure cristalline. Dans le cas des cristaux photoniques dits en tas de bois, ce seuil est comparativement bas, environ 1,9 pour la structure directe. C'est pourquoi les tas de bois directs ou inversés constitués de matériaux à indice de réfraction élevé comme le silicium, le germanium ou le dioxyde de titane sont recherchés. Nous montrons ici qu'en combinant la lithographie multiphotonique et le dépôt de couches atomiques, nous pouvons réaliser une inversion directe de modèles polymères en cristaux photoniques à base de TiO2. Les structures obtenues présentent des propriétés optiques remarquables dans le proche infrarouge avec une réflectance spéculaire presque parfaite, un creux de transmission proche de la limite de détection et une longueur de Bragg comparable à la constante de réseau.

Même si des cristaux photoniques (PC) tridimensionnels, constitués de matériaux à haut indice tels que le dioxyde de titane1,2 et le silicium3, ont été fabriqués par exemple par pulvérisation successive et modélisation de faisceaux d'électrons ou à partir de modèles d'opale4,5,6, l'infiltration d'un un modèle polymère structuré lithographiquement semble être une stratégie particulièrement efficace pour obtenir de grands PC tridimensionnels7,8 et pour intégrer des sous-unités fonctionnelles destinées à une application dans des circuits ou des dispositifs optiques9,10,11. Tétreault et coll. ont rapporté la première réplique en silicium d'un tel modèle de tas de bois utilisant la technique de double inversion du silicium12. Un PC en tas de bois inversé SiO2 a été utilisé comme structure intermédiaire qui a ensuite été infiltrée de silicium en utilisant un dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à haute température. Plus tard, le même groupe a rendu compte de la fabrication de PC à tas de bois inversés en silicium7. Dans ce cas, une coque de SiO2 a été déposée autour des tiges de polymère du gabarit pour préserver la structure en rondins pendant le processus de dépôt de silicium. Grâce à ces approches et à des approches connexes, des PC à tiges creuses en silicium13, des guides d'ondes11, des hyperunifrom14 et des PC à bande interdite complète à des longueurs d'onde de télécommunication autour de 1,54 μm8 ont été obtenus. Un autre matériau bien connu à indice de réfraction élevé et largement utilisé dans le passé est le titane (TiO2, dioxyde de titane)1,6,15. Les avantages du titane par rapport au silicium sont sa transparence dans la région visible à infrarouge moyen ainsi que la possibilité de traitement chimique par voie humide. De plus, l'oxyde de titane peut être déposé à des températures modérées autour ou inférieures à 100 °C. Cela fait du titane un matériau particulièrement bien adapté pour infiltrer directement les échafaudages polymères tridimensionnels sans qu'il soit nécessaire d'effectuer des étapes d'infiltration supplémentaires qui ont tendance à conduire à une détérioration structurelle.

Dans ce travail, nous présentons la fabrication, la caractérisation structurelle et optique de PC à canaux creux en titane et à tas de bois inversés. Nos travaux font état de deux réalisations principales dans le domaine. Tout d’abord, nous rendons compte de la fabrication de PC en tas de bois à indice élevé en une seule étape d’infiltration. Cela facilite, comme nous le montrerons, la fabrication de structures et donne une intégrité structurelle et une qualité de surface exceptionnelles. Deuxièmement, nous présentons une mesure directe de la longueur de Bragg LB dans nos PC à indice de réfraction élevé. La longueur de Bragg est un paramètre clé pour la caractérisation des matériaux à bande interdite photonique, car elle définit l'échelle de longueur qu'une onde évanescente peut pénétrer dans un matériau PC. En tant que tel, il fixe également la limite inférieure pour la conception d'éléments structurels intégrés tels que les coudes et les cavités. Ces derniers doivent être séparés par plusieurs longueurs de Bragg afin d'éviter toute diaphonie ou tunneling. Malgré l'importance de la longueur de Bragg, très peu de données expérimentales sur les matériaux à indice de réfraction élevé ont été rapportées à ce jour dans la littérature. Un certain nombre d'études utilisent la longueur de Bragg pour le cas de matériaux à faible indice au voisinage des pseudo-lacunes correspondantes16,17,18. Nous démontrons ici qu'en raison de la précision de notre processus de fabrication de matériaux, nous pouvons fabriquer de manière reproductible des cristaux photoniques à indice de réfraction élevé avec différentes épaisseurs de couche allant de 12 à 32 couches (une cellule unitaire est composée de quatre couches). En mesurant le creux de transmission minimum en fonction de l'épaisseur de la couche PC, nous déterminons directement la longueur de Bragg LB pour une orientation donnée du réseau.