Évaluation du transport plasmonique dans les nanofils d’argent porteurs de courant

Résumé

Les nanofils d’argent peuvent transporter simultanément des électrons et des informations optiques sous forme de plasmons de surface. Une procédure est décrite ici pour réaliser un tel circuit partagé et les limites de propagation des deux supports d’information sont évaluées.

Résumé

La plasmonique est une technologie émergente capable de transporter simultanément un signal plasmonique et un signal électronique sur le même support d’information^1,2,3. Dans ce contexte, les nanofils métalliques sont particulièrement souhaitables pour réaliser des réseaux de routage denses⁴. Une condition préalable au fonctionnement d’une telle plate-forme partagée basée sur des nanofils repose sur notre capacité à contacter électriquement des nanofils métalliques individuels et à exciter efficacement les polaritons plasmoniques^{de surface 5} dans ce support d’information. Dans cet article, nous décrivons un protocole permettant d’amener des bornes électriques à des nanofils d’argent synthétisés chimiquement⁶ répartis aléatoirement sur un substrat de verre⁷. Les positions des extrémités des nanofils par rapport aux repères prédéfinis sont localisées avec précision à l’aide de la microscopie à transmission optique standard avant d’être encapsulées dans une réserve sensible aux électrons. Les tranchées représentant la disposition des électrodes sont ensuite conçues par lithographie par faisceau d’électrons. Les électrodes métalliques sont ensuite fabriquées par évaporation thermique d’une couche de Cr/Au, suivie d’un soulèvement chimique. Les nanofils d’argent contactés sont finalement transférés dans un microscope à rayonnement de fuite pour l’excitation et la caractérisation des plasmons de surface^8,9. Les plasmons de surface sont lancés dans les nanofils en focalisant un faisceau laser proche infrarouge sur un point limité à la diffraction chevauchant une extrémité de nanofil^5,9. Pour des nanofils suffisamment grands, le mode plasmonique de surface s’échappe dans le substrat de verre^9,10. Ce rayonnement de fuite est facilement détecté, imagé et analysé dans les différents plans conjugués en microscopie à rayonnement de fuite^9,11. Les bornes électriques n’affectent pas la propagation des plasmons. Cependant, une détérioration morphologique du nanofil induite par le courant dégrade considérablement le flux de plasmons de surface. La combinaison de la microscopie à rayonnement par fuite plasmonique de surface et d’une analyse simultanée des caractéristiques de transport électrique des nanofils révèle les limites intrinsèques de ces circuits plasmoniques.

Introduction

Plasmonics vise à fusionner l’électronique et la photonique dans un support physique partagé via la médiation d’une onde de densité électronique appelée polariton plasmonique^{de surface 1,2,3}. Le plasmon de surface peut se déplacer dans diverses géométries de guides d’ondes et interfaces. Parmi eux, les nanofils métalliques sont particulièrement recherchés. En tant que structures quasi unidimensionnelles, elles confinent radicalement le champ plasmonique à une échelle profonde de sous-longueur d’onde tout en agissant comme des interconnexions électriques capables de soutenir un flux d’électrons, comme le montre le dessin artistique de la figure 1

Protocole

1. Synthèse d’une solution colloïdale de nanofils d’argent

Des nanofils d’argent (NA Ag) à surface lisse et à structure homogène sont synthétisés à l’aide d’une méthode modifiée assistée par polyols⁶. Dans une synthèse typique de nanofils agricoles, les procédures suivantes sont effectuées étape par étape :

1. Verser 12 ml d’éthylène glycol (EG) dans une fiole de 100 ml prénettoyée à fond rond
.
2. Chauffer la solution à 150 °C pendant 1 heure dans le bain d’huile (diméthylsilicone) avec agitation magnétique à 260 tr/min.
3. Ajouter 4 ml d’AgNO₃ (0,2 M dans une solution EG) par goutte. Au cours de....

Résultats

La figure 2(a) montre une micrographie électronique à balayage d'un nanofil d'argent typique de 10 mm de long, synthétisé selon le protocole décrit ci-dessus. La largeur du nanofil est ici de 200 nm, comme indiqué dans l'agrandissement de l'extrémité gauche sur la figure 2(b). La figure met clairement en évidence la symétrie à cinq plis de la croissance cristalline. Aucun défaut n'est visible à la surface du nanofil (par exemple coudes, particules, etc.). La synthèse co.......

Discussion

La synthèse utilise un excès de tensioactif chimique restant lié à la surface du nanofil, comme illustré dans la micrographie électronique à transmission de la figure 9 (a). Cette couche crée une barrière diélectrique empêchant le courant de circuler à travers l’interface électrode-nanofil. Les figures 10 (a) et (b) montrent des exemples typiques des caractéristiques courant-tension. Des pas brusques de courant à certains biais ponctuent les courbes. Ces étapes se produi.......

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
DMEM	Invitrogen	ABCD1234
Éthylène glycol (EG)	Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd	T20111130
PMMA	Allresist	AR-P 679
Acétone Analar Normapur	VWR Prolabo	20066.296
Isopropanol (IPA) Analar Normapur	VWR Prolabo	20842.298
AgNO3	Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd	20080826
Poly-(vinylpyrrolidone) (PVP)	Aladdin Chemistry Co., Ltd	1041671-31744
Dimethysilicone	Sinopharm Group Company Limited	H201-500
Propylène Glycol Méthyl Éther Acétate	Microchemicals Gmbh	AZ EBR
Microscope optique inversé	Nikon	TE 2000
Objectif microscope	Nikon	1.49/100X TIRF Plan-Apo
Caméras CCD (2x)	Andor	Luca-S
Alimentation régulée	RHK	SPM 1000
Données d’acquisition	RHK	SPM 1000
Convertisseur courant-tension	fait maison	Gain 10 mA/V
Faisceau d’électrons microscope	JEOL	FEG 6500
Lithographie	addon RAITH	Elphy
Spincoater	PRIMUS	STT15
Évaporateur thermique	PLASSYS	MEB 400
Platine de sondage micrométrique (2x)	SÜ ; SS MicroTec	PH110
Platine piézoélectrique	Mad City Labs	Nano LP100