Transformer un miroir en absorbant optique

Publié par Redbran le 27/03/2021 à 13:00
Source: CNRS INSIS
Une équipe de l'Institut des nanotechnologies de Lyon a montré expérimentalement qu'un dispositif optique réfléchissant, incluant une couche mince de matériau à changement de phase, pouvait se transformer de manière réversible en un dispositif très absorbant. Une centaine de niveaux de réflectivité intermédiaires ont même été réalisés avec un seul dispositif, ouvrant la voie à des composants optiques aux propriétés modulables.


Faisceau lumineux dans le proche infrarouge réfléchi par un empilement comprenant une couche mince (Une couche mince est une fine pellicule d'un matériau déposée sur un autre matériau, appelé...) de GeSbTe (GST), un espaceur diélectrique et une couche d'or. Le changement de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) de GST induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de...) une très grande modulation des propriétés optiques, allant de la forte réflexion à l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise...) parfaite.
© Wiley

Dans un système photonique, les propriétés optiques de chaque composant dépendent des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) utilisés. Le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) sera fortement réfléchissant pour un miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme...), ou très absorbant s'il s'agit d'un photodétecteur ou de cellules solaires. Mais les propriétés optiques de ces matériaux sont figées et ne permettent pas de créer des composants adaptables ou modulables.

C'est pour relever ce défi qu'une équipe de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) des Nanotechnologies de Lyon (INL, CNRS/Université Claude Bernard (Claude Bernard, né le 12 juillet 1813 à Saint-Julien (Rhône) et mort le...) Lyon 1/Centrale Lyon/INSA Lyon/CPE Lyon), en collaboration avec le Centre de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) sur l'hétéroépitaxie et ses applications (CRHEA, CNRS), l'Institut Fresnel (CNRS/AMU/Centrale Marseille) et STMicroelectronics, s'est intéressée aux matériaux à changement de phase, dont les indices de réfraction (La réfraction, en physique des ondes — notamment en optique, acoustique et sismologie...) et les coefficients d'absorption peuvent être modifiés de manière rapide et réversible.

Ainsi, GeSbTe est un matériau dont l'indice de réfraction (L'indice de réfraction d'un milieu à une longueur d'onde donnée mesure le facteur de...) varie fortement selon que sa structure est amorphe ou cristalline. Les chercheurs ont réalisé un empilement simple de couches minces comprenant une couche nanométrique de GeSbTe. Ils ont alors montré qu'en passant d'un état à l'autre, le matériau au départ très réfléchissant voyait sa réflectivité réduite d'un facteur 10.000 ! Mieux: en réalisant des cristallisations partielles de manière contrôlée par voie thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...), ils ont obtenu 100 niveaux de réflectivité distincts avec le même échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...). La longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) opérationnelle du dispositif, dans le proche infrarouge, est réglée en jouant sur l'épaisseur des couches. Ces travaux sont publiés dans la revue Advanced Optical Materials.

Ces résultats permettent d'envisager des composants aux propriétés de réflexion/absorption modulables, tels que des modulateurs, obturateurs, filtres... La fabrication, relativement simple (pas de lithographie), est transposable à des dispositifs de grande taille, afin de réaliser des optiques dynamiquement modulables pour de grands instruments comme les télescopes.

Les chercheurs explorent d'autres matériaux à changement de phase et travaillent également sur l'adressage optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) et électrique de dispositifs optiques reconfigurables.

Références:
Reconfigurable Flat Optics with Programmable Reflection Amplitude Using Lithography-Free Phase-Change Materials Ultra-Thin Films.
S. Cueff, A. Taute, A. Bourgade, J. Lumeau, S. Monfray, Q. Song, P. Genevet, B. Devif, X. Letartre and L. Berguiga.
Advanced Optical Materials 2001291 (2020)
https://doi.org/10.1002/adom.202001291
Lire l'article sur les bases d'archives ouvertes HAL et arXiv.

Contacts:
- Sébastien Cueff - Chargé de recherche au CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...), Institut des nanotechnologies de Lyon (INL, CNRS/Univ. Claude Bernard Lyon 1/Centrale Lyon/INSA Lyon/CPE Lyon) - sebastien.cueff at ec-lyon.fr
- Lotfi Berguiga - Ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature...) de recherche au CNRS, Institut des nanotechnologies de Lyon (INL, CNRS/Univ. Claude Bernard Lyon 1/Centrale Lyon/INSA Lyon/CPE Lyon) - lotfi.berguiga at insa-lyon.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) INSIS - insis.communication at cnrs.fr
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