Les joints de grains transforment le silicium en matériau plasmonique

La plasmonique, en utilisant les oscillations collectives des électrons libres (résonances plasmons) dans des nanostructures métalliques ou semiconductrices dopées, permet de manipuler la lumière à l’échelle du nanomètre. Les avancées majeures en nanofabrication, qui ont permis le développement de métasurfaces, ont largement contribué aux progrès dans ce domaine. Toutefois, malgré des avancées rapides, le déploiement à grande échelle des métasurfaces plasmoniques reste limité par des verrous liés à leur fabrication industrielle et à leur intégration dans des dispositifs fonctionnels.

Ces recherches ont été menées dans le laboratoire CNRS suivant :

• Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (CEMES, CNRS)

Dans une étude parue récemment, des chercheurs et chercheuses démontrent qu’une approche alternative est possible : des résonances plasmoniques dans l’infrarouge moyen peuvent apparaître spontanément dans des couches de silicium polycristallin hyperdopé au phosphore ne présentant aucune nanostructuration artificielle. Constituées de grains nanométriques de 5 à 50 nanomètres, ces couches développent des propriétés optiques remarquables qui remettent en question les stratégies classiques de conception des matériaux plasmoniques.

En combinant des techniques avancées de microscopie électronique, de spectroscopie infrarouge et de modélisation électrodynamique, les scientifiques ont montré que ces réponses plasmoniques résultent de la formation naturelle de contrastes métal–isolant au niveau des joints de grains. La formation spontanée de ces interfaces entre nanograins métalliques et joints de grains diélectriques confère au matériau des propriétés plasmoniques, avec l’apparition de plasmons de surface localisés.

Ces résultats positionnent ainsi le nano-polysilicium comme un système prometteur pour le développement de matériaux plasmoniques dans l’infrarouge, durables et à faible coût, en s’affranchissant des étapes complexes de nanofabrication habituellement nécessaires. Cette découverte ouvre des perspectives pour de nouvelles applications, par exemple la fabrication d’hyper-absorbeurs dans l’infrarouge améliorant le refroidissement radiatif des dispositifs photovoltaïques. Ces travaux sont publiés dans la revue ACS Nanoletters.