Fabrication of silicon-based nanostructures : Altering optical properties through morphology and composition

La recherche en nanophotonique vise à concevoir des nanostructures capables de diffuser la lumière de manière directionnelle afin de contrôler sa propagation à l’échelle nanométrique. Une telle diffusion présente un large éventail d’applications technologiques, notamment les revêtements optiques à transmission ou réflexion parfaite et large bande, l’amplification de la diffusion Raman, les nanoantennes et l’optique non linéaire. Les particules de silicium (Si) de taille sous-longueur d’onde (100–200 nm) sont particulièrement prometteuses en raison de leurs faibles pertes optiques et de leurs fortes résonances électriques et magnétiques dans le domaine du visible et du proche infrarouge. Lorsqu'elles sont combinées, ces résonances permettent une diffusion seulemet vers l'avant. Cependant, comme leur chevauchement spectral n'est que partiel, les efficacités de diffusion qui en résultent restent relativement faibles.Pour surmonter cette limitation, plusieurs stratégies ont été proposées, telles que l’introduction de morphologies non sphériques (par exemple ellipsoïdes, nanofils), la fabrication d’architectures cœur–coquille et l’assemblage de particules en métasurfaces. Cette thèse explore différentes approches de synthèse ascendante (bottom-up) pour développer des nanostructures à base de silicium aux propriétés optiques améliorées et étudie leur comportement de diffusion de la lumière.Dans un premier temps, une approche en deux étapes a été développée pour préparer des particules Si@Au cœur–coquille avec une épaisseur de coquille ajustable inférieure à 10 nm. L’augmentation de la couverture en nanoparticules d’or par des étapes successives de fonctionnalisation/dépôt a permis d’améliorer la continuité de la coquille. La réponse électromagnétique de ces particules a été étudiée par spectroscopie de diffusion sur particule unique et par spectroscopie de pertes d’énergie des électrons (EELS), puis comparée à des sphères de Si de référence et à des structures SiO2@Au cœur–coquille. Des simulations basées sur la méthode de la T-matrix ont confirmé nos observations expérimentales et mis en évidence le rôle essentiel du rapport dimensions cœur/coquille et de la continuité de la coquille pour maximiser la diffusion en avant.En parallèle, une voie de synthèse a également été établie pour des particules Si@Ag cœur–coquille, caractérisées avec les mêmes techniques optiques. Ce travail ouvre la voie à l’élargissement de cette bibliothèque de nanostructures cœur–coquille à des coquilles diélectriques telles que Si@SiO2, Si@ZrO2 ou [email protected] un second temps, des nanofils de silicium ont été obtenus par réaction de disproportionation thermique d’un oxyde de silicium enrichi en présence de différentes nanoparticules métalliques (Au, Ag, Fe2O3, TiO2), qui ont joué un rôle catalytique dans leur croissance. Les nanofils obtenus présentent un cœur de silicium cristallin recouvert d’une coquille de 10–20 nm d’oxyde de silicium, et leur longueur varie de 1 à 6 µm, leur conférant des propriétés optiques fortement anisotropes. Leur formation a en outre été étudiée in situ en conditions environnementales, offrant une observation en temps réel des mécanismes de croissance. Une telle compréhension est essentielle pour améliorer le rendement, le contrôle morphologique et l’évolutivité des nanofils de silicium.Enfin, des particules ellipsoïdales de silice mésoporeuse ont été synthétisées par voie sol-gel. Afin d’améliorer leurs performances optiques, nous avons tenté de les réduire en silicium élémentaire par réduction magnésiothermique. Toutefois, des difficultés liées au contrôle de la morphologie, à l’agrégation et à la porosité ont limité leur exploitation.