WO2016156587A1 - Procede de generation de nanojets photoniques - Google Patents

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WO2016156587A1
WO2016156587A1 PCT/EP2016/057255 EP2016057255W WO2016156587A1 WO 2016156587 A1 WO2016156587 A1 WO 2016156587A1 EP 2016057255 W EP2016057255 W EP 2016057255W WO 2016156587 A1 WO2016156587 A1 WO 2016156587A1
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particles
particle
ellipsoid
planar surface
photonic
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PCT/EP2016/057255
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Inventor
Olivier Dellea
Olga SHAVDINA
Thomas Kampfe
Yves Jourlin
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Universite Jean Monnet
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Universite Jean Monnet
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals

Definitions

  • the invention relates to a method for generating photonic photonic jets, or photonic jets, from dielectric particles.
  • the invention also relates to a method of structuring a material surface by photonic nanojets, as well as to a process for photocrosslinking a material surface by photonic nanojets.
  • a solar thermal device it is also possible to perform surface texturing to optimize the absorption of the electromagnetic radiation received and control the infrared thermal emission.
  • texture surfaces it is also possible to give them certain physicochemical properties, for example to make certain surfaces such as those of wind turbines hydrophobic to prevent the formation of ice on them.
  • Other applications are also conceivable, such as for example the production of anti-counterfeiting markings via a single-form surface texturing carried out at the micrometric or nanometric scale.
  • a particularly interesting technique for achieving micrometric or nanometric scale surface structuring consists in illuminating with a Gaussian beam light or plane wave, formed for example by a laser or a non-coherent source (spatially or temporally), a monolayer of spherical colloidal particles of micrometric or nanometric dimensions and formed of a transparent dielectric material at the wavelength of the incident light.
  • FIG. 1 schematically represents such a particle 10 illuminated by a laser light 12.
  • the light 12 is received by the particle 10 at an input region 14.
  • concentration the light energy received by the particle 10 is concentrated at an output region 16 of the particle 10 forming a photon nanojet 18 of nanometric or micrometric dimensions and wherein the energy is concentrated.
  • the wavelength of the source considered remains of the same order of magnitude as the diameter of the particle.
  • This technique is for example described in the document "A novel self-assembled and masked technique for highiy uniform arrays of nano-holes and nano-pillars" by W. Wu et al., Nanoscale Res. Lett. ; 3 (3): 123-127, 2008.
  • the photonic nanojet 18 obtained has the particular advantage of having lateral dimensions (dimensions perpendicular to the direction of propagation of the light 12) much lower than those of the light beam of the light 12. It is for example possible to obtain a nanojet 18 whose width at half height (FWHM for "Full Width at Half Maximum") is equal to about 200 nm from a spherical particle of diameter equal to about 1 ⁇ and using a laser emitting a light beam of diameter greater than 5 ⁇ as light 12.
  • the light energy thus concentrated can lead for example to the ablation of a substrate on which the particles are deposited.
  • Another advantage of this technique is the concentration efficiency achieved by the particles, which makes it possible to use lasers of lower power than those used to directly etch the material in question.
  • this technique makes it possible to achieve simultaneous focusing at several points. Thus, a single laser shot can generate hundreds of impacts simultaneously. In this case, to increase the fluences and to allow ablation, the sources considered are pulsed temporally.
  • This photonic nanojet structuring technique makes it possible, in particular, to structure large areas of material without having to carry out each individual structuring since the particles, which are arranged on the surface to be textured in the form of a layer, can be illuminated collectively by a single layer. light source.
  • the natural arrangement of the particles leads to a hexagonal periodic structure.
  • the photonic nanojet 18 obtained with this technique has a certain length (dimension parallel to the direction of propagation of the light 12), width (dimension perpendicular to the length) and a certain position, or distance, with respect to the exit region 16 of the particle 10. These parameters depend in particular on the diameter of the particle 10 which is spherical. However, it is not possible to change the focus of the photonic nanojet (corresponding to the ratio of the length to the half-width of the photonic nanojet) when such spherical particles 10 are used.
  • the concentration of light energy obtained with such particles is not optimal because part of this energy can be located at the very interior of the particle 10 and thus be lost because this part of the energy can not be used for structuring.
  • An object of the present invention is to propose a method for generating photonic nanojets whose parameters are optimized, in particular in terms of energy concentration, focus, dimensions (transverse and longitudinal) and position relative to the particles used to generate them.
  • the present invention proposes a method for generating photonic nanojets, comprising at least one illumination of particles of dielectric material at least partially transparent with respect to a light illuminating an input region of each particle, forming a photonic nanojet at an output region, opposite to the input region, of each particle, wherein each particle has at least:
  • each particle is such that:
  • the flat surface of the first portion and the first flat surface of the second portion have similar dimensions
  • a dimension of the second portion, which is perpendicular to the first flat surface of the second portion, is different from a dimension of the first portion which is perpendicular to the first flat surface of the second portion
  • the exit region is formed by a portion of the first portion opposite to the planar surface of the first portion.
  • the flat surface of the first portion is disk-shaped because the first portion corresponds to a half-sphere.
  • the invention proposes to use particles of novel form to generate photonic nanojets, to control and optimize the focus, the dimensions and the position of the photonic nanojets with respect to the particles used to generate them, and this thanks to the asymmetry of the particle shape because for each particle, the first portion has a shape different from the second portion (because the dimension of the second portion, which is perpendicular to the first planar surface of the second portion, is different from the size of the first portion which is perpendicular to the first planar surface of the second portion).
  • photonic nanojet is used herein to denote a photonic jet, characterized by a concentration of the electric field having nanometric and / or micrometric dimensions.
  • the second portion may have the form of a half-ellipsoid of flattened revolution, that is to say such that the height of this half-ellipsoid is less than the radius of its base which corresponds to the first flat surface, or the shape of a half-ellipsoid of elongated revolution, that is to say such that the height of this half-ellipsoid is greater than the radius of its base, or a form of half-sphere.
  • a half-ellipsoid of flattened or elongated revolution does not correspond to a form of half-sphere (which corresponds to a half-ellipsoid of revolution whose height is equal to the radius of its base).
  • the first portion may be in the form of a half-ellipsoid of revolution, that is to say either a half-ellipsoid of flattened revolution, or a half-ellipsoid of elongated revolution, or a half-sphere.
  • the height of the first portion is different from the height of the second portion, thereby conferring an asymmetrical character to the shape of each particle.
  • each particle may be such that:
  • the first portion is substantially in the form of a half-sphere
  • the second portion is substantially in the form of a half-ellipsoid of flattened revolution, -
  • the input region is formed by a portion of the second portion opposite to the first planar surface of the second portion.
  • Such particles according to this first embodiment are advantageously used for the generation of photonic nanojets of large lengths.
  • the method can be such that:
  • each particle is such that the second portion is substantially in the form of a truncated half-ellipsoid of revolution having a second flat surface, opposite to the first flat surface of the second portion, of dimensions smaller than those of the first flat surface of the second portion and which is substantially disk-shaped,
  • each particle further comprises a third portion substantially in the form of a semi-ellipsoid of revolution (that is to say flattened or elongate or in the form of a half-sphere), a first flat surface of which is disposed against the second flat surface; of the second portion and has dimensions similar to those of the second flat surface of the second portion,
  • each particle is such that the input region is formed by a portion of the third portion opposite to the first planar surface of the third portion.
  • the first flat surface of the third portion is disk-shaped because the third portion here corresponds to a half-ellipsoid of revolution.
  • Such particles according to this second embodiment make it possible in particular to obtain a good compromise between the length of the photonic nanojets and the concentration of energy within the photonic nanojets.
  • the first portion is substantially in the form of a half-sphere
  • the second portion is substantially in the shape of a half-ellipsoid of flattened and truncated revolution
  • each particle is such that the second portion is substantially in the form of a truncated half-ellipsoid of revolution having a second flat surface, opposite to the first flat surface of the second portion, of dimensions smaller than those of the first flat surface of the second portion and which is substantially disk-shaped,
  • each particle further comprises a third portion substantially in the shape of a half-ellipsoid of truncated revolution, comprising a first substantially disk-shaped flat surface of dimensions similar to those of the second flat surface of the second portion and which is arranged against the second planar surface of the second portion, and having a second planar surface, opposite the first planar surface of the third portion, substantially disc-shaped and of dimensions smaller than those of the first planar surface of the third portion,
  • each particle further comprises a fourth portion substantially in the form of a semi-ellipsoid of revolution, a planar surface of which is disposed against the second flat surface of the third portion and has dimensions similar to those of the second flat surface of the third portion,
  • each particle is such that the entrance region is formed by a portion of the fourth portion opposite to the flat surface of the fourth portion.
  • the flat surface of the fourth portion is disk-shaped because the fourth portion corresponds to a half-ellipsoid of revolution.
  • Such particles according to this third embodiment make it possible in particular to obtain a high concentration of energy within the photonic nanojets.
  • the first portion is substantially in the form of a half-sphere
  • the second portion is substantially in the shape of a half-ellipsoid of flattened and truncated revolution
  • the third portion is substantially in the shape of a half-ellipsoid of flattened and truncated revolution
  • the fourth portion is substantially in the form of a half-sphere.
  • the dielectric material may be an oxide (for example SiO 2 ) and / or a polymer (for example PS) and / or an organic / inorganic hybrid material (for example an organo-mineral sol-gel material). This material is essentially transparent to the wavelength of the illumination light (silica, glass, etc.).
  • the light illuminating the input regions of the particles may be produced by a laser device, forming for example a beam Gaussian profile or near.
  • the light illuminating the input regions of the particles can come from an incoherent light source (for example a lamp or LEDs).
  • the choice of the type of light used depends on the result to be obtained (ablation, fusion, crosslinking) and can be drawn or continuous.
  • the particles may be arranged next to each other in staggered rows and several columns (hexagonal type monolayer arrangement), and / or disposed in contact next to each other (compact monolayer arrangement).
  • monolayer that is to say a layer formed of a single thickness of particles
  • compact hexagonal type has the particular advantage of obtaining a high density of particles within the layer, and therefore to achieve by example micrometric and / or nanometric structures with high density and organized periodically.
  • the invention also relates to a method of texturing a material surface, comprising the implementation of a method for generating photonic nanojets as described above, and in which the particles are arranged in a monolayer on the surface of material before the illumination of the particles.
  • the illumination of the particles can be carried out with a laser-type light, for example produced by a nanosecond, picosecond or femtosecond pulse laser such as a picosecond pulsed laser of wavelength equal to 1064 nm or a femtosecond pulse laser of wavelength equal to 800 nm, such that photonic nanojets etch the material of the surface by ablation.
  • a laser-type light for example produced by a nanosecond, picosecond or femtosecond pulse laser such as a picosecond pulsed laser of wavelength equal to 1064 nm or a femtosecond pulse laser of wavelength equal to 800 nm, such that photonic nanojets etch the material of the surface by ablation.
  • a laser-type light for example produced by a nanosecond, picosecond or femtosecond pulse laser such as a picosecond pulsed laser of wavelength equal to 1064 nm or a femtosecond pulse laser of wavelength equal to 800 nm, such that photonic nano
  • the illumination of the particles may be carried out with a laser light, for example continuous or pulsed infrared, such that the photonic nanojets perform a localized melting of the particles with the material of the surface.
  • the invention also relates to a method for photocrosslinking a material surface, comprising the implementation of a method for generating photonic nanojets as described above, in which the particles are arranged in a monolayer on the surface of material before the illumination of the particles, and in which the illumination of the particles is carried out with a coherent UV light (for example from a laser) or incoherent (for example from a UV lamp or UV LEDs).
  • a coherent UV light for example from a laser
  • incoherent for example from a UV lamp or UV LEDs
  • the material of the surface may be a photosensitive material (positive or negative), the photocrosslinking process may further comprise, after the implementation of the photonic nanojet generation process, steps in the field of photolithography such as steps of thermal annealing and development of the photosensitive material.
  • FIG. 2 schematically shows a top view of a plurality of particles used in a method of generating photonic nanojets object of the present invention
  • FIG. 3 to 5 show schematically sectional sectional views of a particle used in a method of generating photonic nanojets, object of the present invention, according to different embodiments.
  • Figure 2 schematically shows a top view of a plurality of particles 100 of dielectric material used for the implementation of a method of generating photonic nanojets.
  • This method is implemented from a plurality of particles 100 arranged on a substrate 101 next to each other in the form of a monolayer, and in staggered rows and columns (hexagonal type arrangement).
  • the particles 100 are arranged in 4 rows and 8 columns.
  • the particles 100 are spaced from each other.
  • the neighboring particles 100 may be in contact with each other, forming for example a monolayer compact hexagonal type.
  • the particles 100 are made of a dielectric material at least partially transparent with respect to the light intended to illuminate the particles 100 to generate the photonic nanojets. This light corresponds for example to a laser beam.
  • the particles 100 comprise for example an oxide such as Si0 2 or glass, and / or a polymer (PS, PMMA, etc.).
  • Figure 3 shows a particle 100 according to a first embodiment.
  • the particle 100 comprises a first portion 102 of substantially hemispherical shape, or substantially in the shape of a half-sphere, corresponding to the lower part of the particle 100.
  • This first portion 102 comprises, at its apex, a flat surface 104 comprising a section, in the plane (X, Y), in the form of a disk and represented symbolically by dashed lines in FIG.
  • the particle 100 also comprises a second portion 106 substantially shaped half-ellipsoid of revolution, or half-spheroid, flattened, a flat surface 108 is disposed against the flat surface 104 of the first portion 102.
  • the flat surface 104 has a section, in the plane (X, Y), in the form of a disc.
  • the plane surfaces 104 and 108 have, in the plane (X, Y), similar dimensions.
  • the dimension Li corresponds to the diameter of the planar surfaces 104 and 108.
  • the second portion 106 could be substantially in the shape of a half-ellipsoid of elongate revolution (the half-ellipsoid shape of flattened revolution being however preferred and less complex to produce ).
  • the first portion 102 being here hemispherical, it has a height hi (dimension perpendicular to the flat surface 104) equal to Li / 2.
  • the second portion 106 has a height h 2 (dimension perpendicular to the planar surface 108) whose value is independent of the value of Li (with h 2 ⁇ Li / 2 in the case of a half-ellipsoid of flattened revolution, or h 2 > Li / 2 in the case of a half ellipsoid of elongated revolution).
  • the values of Li and h 2 are chosen according to the desired parameters (dimensions, focusing, position relative to the particle 100, energy concentration) of the photonic nanojet to be obtained from this particle 100.
  • the particle 100 is intended to receive a light at an input region 110 corresponding to the portion of the outer surface of the second portion 106 opposite to the plane surface 108. During such illumination, a nanojet photonics is then formed at an outlet region 112 corresponding to the portion of the outer surface of the first portion 102 opposite to the planar surface 104.
  • Simulations making it possible to characterize the photonic nanojets obtained with the particles 100 are for example made by a simulation software based on the RCWA method (Rigorous Coupled-Wave Analysis, or rigorous method of the coupled waves), also called Fourier modal method. .
  • This method widely used in the electromagnetic computation of diffraction gratings, consists of calculating the complex expression (modulus and phase) of the electric field inside a network in the form of coupled waves propagating according to the normal axis to the network, and calculates the optical properties of a periodic network having an infinite dimension.
  • the use of such a method is for example described in the document "Diffraction analysis of dielectric surface-relief gratings" by G. Moharam et al., J. Opt. Soc. Am., Vol.72, No. 10, October 1982.
  • the simulations carried out make it possible to obtain the spatial distribution of the electric field in and around the particles 100 from which the energy distribution of the photonic nanojets can be calculated.
  • the lengths A of the photonic nanojets obtained are also calculated from the simulations carried out.
  • the length A of a photonic nanojet is the dimension of the photonic nanojet calculated from the profile of the electric field corresponding to the photonic nanojet in a plane Pi which is both parallel to the main propagation direction of the light energy from the output region 112 (which is parallel to the direction of propagation of light sent to the input region 110 when this light is applied to the particle 100 with a zero angle of incidence), perpendicular to the substrate 101 (or to the plane of the surface on which the particles 100 are symbolically arranged because the simulations are here made without regard to the substrate 101), which passes through the center of the particle 100 which produces the photonic nanojet, and whose abscissa is parallel to the main direction of propagation of the light energy from the exit region 112.
  • this length A corresponds to the dimension of the photonic nanojet along the Z axis in the plane Pi, and the plane Pi corresponds to a plane parallel to the plane (Y, Z) which passes through the center of the particle 100.
  • the length A corresponds to the largest dimension of the photonic nanojet. This length A is expressed according to the following equation:
  • Zmax outside - Zsortie Zmin outside - Zmax outside
  • Zmax outside position, out of the particle 100, of the maximum value of the electric field along the abscissa of the plane Pi;
  • Z S octie position of the electric field at the output of the particle 100 along the abscissa of the plane Pi (that is to say the position of the output region 112 in the plane Pi);
  • Zmin outside position, out of the particle 100, of the minimum value of the electric field along the abscissa of the plane Pi.
  • the positions ⁇ of the photonic nanojets obtained with respect to the exit regions of the particles 100 are also calculated.
  • the position ⁇ of a photonic nanojet is calculated from the profile of the electric field in the plane Pi, and is expressed according to the following equation:
  • the half-height widths B (FWHM) of the photonic nanojets obtained are also calculated from the simulations carried out.
  • the width B of a photonic nanojet is calculated from the profile of the electric field corresponding to the photonic nanojet in a plane P 2 which is perpendicular to the direction of propagation. principal of the light energy from the output region 112, which passes through the position Z m ax_extér ⁇ eur, and whose abscissa is parallel to the substrate 101 or the plane of the surface on which the particles 100 are symbolically arranged.
  • the width at half height B is equal to the width of the profile of the electric field in the plane P 2 , at a height corresponding to half of the maximum value of the electric field in this plane P 2 .
  • width at half height B corresponds to the dimension of the photonic nanojet along the X axis in the plane P 2
  • plane P 2 corresponds to a plane parallel to the plane (X, Z). which passes through the position Z max _exterior-
  • the particles 100 are arranged in staggered rows such that each particle 100 is in contact with the neighboring particles 100 (thus forming a monolayer of compact hexagonal type), and considering that they are not arranged on a substrate (that is, that is, considering a theoretical and identical substrate and superstrate of optical index equal to 1);
  • the particles 100 are illuminated with an incident light of wavelength equal to 365 nm, polarized linearly and forming a zero angle of incidence with the input regions 110 of the particles 100 (forming a plane wave with respect to the entry 110);
  • the orientation of the electric field of the incident wave is parallel to one of the three directions of the hexagonal network formed by the layer of particles 100;
  • the first portion 102 is modeled with 17 discretized layers each of height (dimension along the Z axis) equal to 28.57 nm
  • the second portion 106 is modeled with 18 discretized layers each of height (dimension along the Z axis) depending on the height h 2 desired;
  • portions 102 and 106 are silica portions having a refractive index equal to 1.45 and a permittivity equal to 2.1025 F / m 2;
  • the particles 100 are surrounded by air with a permittivity equal to 1 F / m and a refractive index equal to 1.
  • the table below gives the characteristics of the photonic nanojets obtained from a compact hexagonal monolayer of particles 100 according to the first embodiment previously described, by varying the height h 2 of the second portion 106.
  • the value of the indicated energy corresponds to the result of an integration of the energy, that is to say the sum of the energy present in the photonic nanojet.
  • the energy obtained is equal to 225 ⁇ 10 17 J
  • the focus F obtained is equal to 162
  • the position ⁇ is equal to 17
  • the half-height width B is equal to 351 nm
  • the length A is equal to 569 nm.
  • each particle 100 it is possible for the first portion 102 of each particle 100 to be in the form of a half-ellipsoid of flattened or elongate revolution, that is to say such that hi ⁇ Li / 2.
  • the asymmetry of each particle 100 is obtained because we always have hi ⁇ h 2 .
  • the second portion 106 may be in the form of a semi-ellipsoid of flattened or elongate revolution or in the form of a half-sphere.
  • FIG. 4 represents a second embodiment of particle 100.
  • particle 100 comprises the first portion 102 substantially in the shape of a half-sphere, corresponding to the lower part of particle 100, similar to that previously described for particle 100 according to the first embodiment.
  • This first portion 102 has the flat surface 104.
  • the particle 100 according to this second embodiment also comprises the second portion 106 substantially in the form of a half-ellipsoid of revolution, or half-spheroid, flattened and truncated, whose plane surface 108, called the first flat surface 108, is disposed against the planar surface 104 of the first portion 102.
  • the first flat surface 108 has a section, in the plane ( ⁇ , ⁇ ), disk-shaped.
  • the flat surfaces 104 and 108 have, in the plane (X, Y), similar dimensions, and in particular the same diameter Li.
  • a portion of the second portion 106 is truncated forming a second flat surface 114 opposite to the first planar surface 108.
  • the second planar surface 114 is substantially parallel to the first planar surface 108 and has a shape of disk.
  • the dimensions of the second plane surface 114 (the diameter), in the plane (X, Y), are smaller than those of the first plane surface 108.
  • the second portion 106 could be substantially in the shape of a half-ellipsoid of elongated revolution (the half-ellipsoid shape of flattened revolution being however preferred and less complex to achieve).
  • the particle 100 further comprises a third portion 116 substantially in the form of a semi-ellipsoid of revolution, that is to say flattened or elongate or in the form of a half-sphere, of which a flat surface 118 (disk-shaped) is disposed against the second flat surface 114 of the second portion 106.
  • the second flat surface 114 of the second portion 106 and the flat surface 118 of the third portion 116 have similar dimensions.
  • the dimension L 2 (parallel to the plane (X, Y)) corresponds to the diameter of the disk formed at the plane surfaces 114 and 118.
  • the value of h 2 is independent of those of Li and L 2 .
  • the third portion 116 being substantially L-shaped half-ellipsoid of revolution, it has a height h 3 (dimension perpendicular to the planar surface 118 and parallel to the axis Z) close to or equal to L 2/2.
  • the values Li, h 2 , L 2 and h 3 are chosen as a function of the desired parameters of the photonic nanojet intended to be obtained from this particle 100.
  • the particle 100 is intended to receive a light at the inlet region 110 corresponding to the portion of the outer surface of the third portion 116 opposite to the flat surface 118. illumination, a photonic nanojet is then formed at the outlet region 112 which corresponds, as in the first embodiment, to the portion of the outer surface of the first portion 102 which is opposite to the flat surface 104. Simulations, under conditions similar to those previously described for the particle 100 according to the first embodiment, are implemented in order to characterize the photonic nanojets obtained from such particles 100. Moreover, for the simulations described below. the third portion 116 is modeled with 15 discretized layers. The parameter N 2 corresponds to the number of discretized layers with which the second portion 106 is modeled.
  • the table below gives the characteristics of the photonic nanojets obtained from a monolayer of compact hexagonal type of particles 100 according to the second embodiment, by varying in particular the height h 3 of the third portion 116.
  • the value of the indicated energy corresponds to the result of an integration of the energy, that is to say the sum of the energy present in the photonic nanojet.
  • the energy obtained is equal to 208 ⁇ 10 17 J
  • the focus F obtained is equal to 384
  • the position ⁇ is equal to 0
  • the width at half height B is equal to 144 nm
  • the length A is equal to 553 nm .
  • first portion 102 of each particle 100 may be in the form of a half-ellipsoid with a flattened or elongated revolution.
  • second portion 106 may be in the form of a semi-ellipsoid of flattened or elongate revolution or in the form of a half-sphere.
  • Fig. 5 shows a third embodiment of particle
  • the particle 100 comprises the first portion 102 substantially shaped half-sphere, corresponding to the lower portion of the particle 100, as in the two previous embodiments.
  • This first portion 102 has the flat surface 104.
  • the particle 100 according to this third embodiment also comprises the second portion 106 substantially half-ellipsoid shape of revolution, or half-spheroid, flattened and truncated, as in the second embodiment, the first flat surface 108 is arranged against the flat surface 104 of the first portion 102.
  • the first planar surface 108 (disk-shaped) has a disk-shaped section in the (X, Y) plane.
  • Surfaces planes 104 and 108 have, in the plane (X, Y), similar dimensions, and in particular the same diameter Li.
  • the second portion 106 is truncated forming the second flat surface 114 opposite to the first flat surface 108.
  • the second flat surface 114 is substantially parallel to the first flat surface 108, and has a disc shape.
  • the dimensions of the second planar surface 114 (the diameter) in the plane (X, Y) are smaller than those of the first planar surface 108.
  • the particle 100 also comprises the third portion 116 which is here substantially half-ellipsoid shape of truncated truncated revolution or truncated half-sphere shape, a first flat surface 118 (disk-shaped) is disposed against the second flat surface 114 of the second portion 106.
  • the second flat surface 114 of the second portion 106 and the first flat surface 118 of the third portion 116 have similar dimensions.
  • a portion of the third portion 116 is truncated to form a second flat surface 120 opposite to the first planar surface 118.
  • the second planar surface 120 is substantially parallel to the first planar surface 118 and has a shape of disk.
  • the dimensions of the second planar surface 120 (the diameter) in the plane (X, Y) are smaller than those of the first planar surface 118.
  • the particle 100 further comprises a fourth portion 122 substantially in the form of a semi-ellipsoid with a flattened or semi-spherical revolution, of which a flat surface 124 (in the form of a disk) is disposed against the second flat surface 120 of the third portion 116.
  • the second flat surface 120 of the third portion 116 and the flat surface 124 of the fourth portion 122 have similar dimensions.
  • the dimension L 3 (parallel to the plane (X, Y)) corresponds to the diameter of the disk formed at the plane surfaces 120 and 124.
  • h 2 is independent of those of Li, L 2 and L 3 .
  • the fourth portion 122 is substantially shaped half-ellipsoid of revolution, it has a height h 4 (dimension perpendicular to the flat surface 124 and parallel to the Z axis) close to or equal to L 3/2 .
  • the values Li, h 2 , L 2 , L 3 , h 3 and h 4 are chosen according to the desired parameters of the photonic nanojet to be obtained from this particle 100.
  • the particle 100 is intended to receive a light at the inlet region 110 corresponding to the portion of the outer surface of the fourth portion 122 opposite to the flat surface 124.
  • illumination a photonic nanojet is then formed at the outlet region 112 which corresponds, as in the previous embodiments, to the portion of the outer surface of the first portion 102 which is opposed to the flat surface 104.
  • the parameter N 3 corresponds to the number of discretized layers with which the second portion 106 is modeled.
  • the table below gives the characteristics of the photonic nanojets obtained from a monolayer of compact hexagonal type of particles 100 according to the third embodiment, by varying in particular the height h 4 of the fourth portion 122.
  • the value of the indicated energy corresponds to the result of an integration of the energy, that is to say the sum of the energy present in the photonic nanojet.
  • the values above are obtained by considering that the diameter Li of the flat surfaces 104 and 108 is equal to 1 ⁇ .
  • the above simulations carried out for the three embodiments of the particles 100 show that, according to the desired parameters for the photonic nanojets, the particles 100 used to generate these photonic nanojets are produced according to one of the three embodiments previously described chosen in FIG. depending on the desired characteristics.
  • the particles 100 according to the first embodiment that is to say comprising the two portions 102 and 106.
  • the energy is the preferred criterion
  • it is advantageous to make the particles 100 according to the third embodiment that is to say comprising the four portions 102, 106, 116 and 122.
  • focusing is the preferred criterion
  • first portion 102 of each particle 100 may be in the form of a half-ellipsoid with a flattened or elongated revolution.
  • second portion 106 may be in the form of a semi-ellipsoid of flattened or elongate revolution or in the form of a half-sphere.
  • the particle 100 is described as being formed of several portions. This description in several distinct portions makes it possible to describe the particle 100 geometrically. However, the particle 100 is physically formed only by a single portion of dielectric material whose general shape corresponds to the assembly formed of these different joined portions. Thus, the dotted lines representing the surfaces at the junctions of these different portions are theoretical separations of these portions and do not correspond to physical boundaries separating the different portions from each other.
  • the dimensions of the photonic nanoparticles described above are nanometric, it is possible to generate photonic jets of micrometric dimensions by adapting the dimensions of the particles 100, especially the dimension Li.
  • the particles 100 may be produced by RIE (reactive ion etching) etching of the dielectric material chosen to form the particles 100, this etching being able to be implemented from spherical particles synthesized for example by reaction. oxidation-reduction, precipitation or polymerization, or any other suitable technique.
  • RIE reactive ion etching
  • Other techniques may be also be combined for the production of particles 100, such as RIE etching, laser ablation, vacuum deposition, chemical etching, grafting, etc.
  • the geometric shapes used to define the particles 100 must be understood as being not perfect, because of the tolerances and inaccuracies due in particular to the techniques used and the materials used to make the particles 100.
  • a monolayer of particles 100 is for example made via a deposit with the unwound, an example of which is given below.
  • the particles 100 are disposed in a solution in a dispensing system.
  • the particles 100 float on the surface of the carrier liquid.
  • the particles 100 are sent on a liquid conveyor for transporting and arranging the particles 100 to form a compact layer of particles 100.
  • This liquid conveyor first flows on an inclined plane and then in a horizontal zone called transfer zone. where the particles 100 accumulate.
  • the bond between the carrier liquid and the substrate is provided by a capillary bridge.
  • a flexible or rigid substrate is moved by another conveyor (for example a drive roller in the case of a flexible substrate, or by a vertical translation plate in the case of a rigid substrate) at the bridge capillary, thus disposing the particles 100 on the substrate in the form of a monolayer.
  • a layer of particles 100 may be made by electrophoretic deposition, or the particles 100 may be distributed by floating or immersion capillary forces on the substrate.
  • the monolayer of particles 100 may be formed by a Langmuir-Blodgett type process.
  • the particles 100 are dispensed on the surface of a liquid.
  • a barrier then compresses the particles 100 to order them.
  • the layer of particles 100 is then deposited by pulling the substrate vertically, the barrier accompanying the movement of the substrate to keep a constant compression on the particles 100.

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Abstract

Procédé de génération de nanojets photoniques, comportant une illumination de particules (100) diélectriques transparentes, formant un nanojet photonique au niveau d'une région de sortie (112) de chaque particule qui comporte : - une première portion (102) hémisphérique formant la région de sortie, - une deuxième portion (106) formant un demi-ellipsoïde de révolution aplati et comportant une première surface plane (108) en forme de disque disposée contre une surface plane (104) de la première portion, chaque particule étant telle que : - la surface plane de la première portion et la première surface plane de la deuxième portion ont des dimensions similaires, - une hauteur de la deuxième portion est inférieure à un rayon de la première surface plane de la deuxième portion, - la région de sortie est formée par une partie de la première portion opposée à la surface plane de la première portion.

Description

PROCEDE DE GENERATION DE NANOJETS PHOTONIQUES
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR
L'invention concerne un procédé de génération de na nojets photoniques, ou jets photoniques, à partir de particules diélectriques. L'invention concerne également un procédé de structuration d'une surface de matéria u par nanojets photoniques, ainsi qu'un procédé de photoréticulation d'une surface de matériau par nanojets photoniques.
La structuration de surfaces mise en œuvre aux échelles micrométriques et nanométriques joue un rôle majeur dans de nombreux domaines pour optimiser le rendement de dispositifs ou développer des surfaces multifonctionnelles, en exacerbant certaines propriétés de ces surfaces. Par exem ple, dans le domaine de la mécanique, une telle structuration de surfaces permet d'optimiser le rendement d'un moteur grâce à une réduction des frottements des pièces dont les surfaces ont été structurées. Dans le domaine de l'optoélectronique, il est également possible de contrôler la diffusion lumineuse au sein de microcomposants électroniques dont certaines couches comportent des surfaces structurées. Ainsi, dans un dispositif microélectronique photovoltaïque, il est possible de texturer certaines couches du dispositif pour optimiser l'absorption du rayonnement solaire reçu par le dispositif. Dans un dispositif solaire thermique, il est également possible de réaliser une texturation de surface pour optimiser l'absorption du rayonnement électromagnétique reçu et contrôler l'émission thermique infrarouge. Dans d'autres domaines, il est également possible de texturer des surfaces pour leur conférer certaines propriétés physico-chimiques, comme par exemple pour rendre hydrophobes certaines surfaces telles que celles de pa les d'éoliennes pour éviter la formation de glace sur celles-ci. D'autres applications sont également envisageables, comme par exemple la réalisation de marquages anti-contrefaçon via une texturation de surface de forme unique réalisée à l'échelle micrométrique ou nanométrique. Une technique particulièrement intéressante pour réaliser une structuration de surface à l'échelle micrométrique ou nanométrique consiste à illuminer par une lumière de type faisceau gaussien ou onde plane, formée par exemple par un laser ou une source non-cohérente (spatialement ou temporellement), une monocouche des particules colloïdales sphériques de dimensions micrométriques ou nanométriques et formées d'un matériau diélectrique transparent à la longueur d'onde de la lumière incidente. La figure 1 représente schématiquement une telle particule 10 illuminée par une lumière laser 12. La lumière 12 est reçue par la particule 10 au niveau d'une région d'entrée 14. Par un phénomène de renforcement, ou concentration, local du champ lumineux en champ proche, l'énergie lumineuse reçue par la particule 10 se concentre au niveau d'une région de sortie 16 de la particule 10 en formant un nanojet photonique 18 de dimensions nanométriques ou micrométriques et dans lequel l'énergie est concentrée. Généralement, la longueur d'onde de la source considérée reste du même ordre de grandeur que le diamètre de la particule. Cette technique est par exemple décrite dans le document « A novel self-assembled and maskiess technique for highiy uniform arrays of nano-holes and nano-pillars » de W. Wu et al., Nanoscale Res. Lett. ; 3(3) : 123-127, 2008.
L'énergie lumineuse ainsi concentrée à des échelles de grandeurs spatiales plus petites que la limite de diffraction, et donc plus petites que ce qui peut être obtenu par focalisation en optique conventionnelle (par exemple des lentilles), est particulièrement intéressante dans le domaine de la structuration de surface à l'échelle micrométrique ou nanométrique. Le nanojet photonique 18 obtenu a notamment pour avantage d'avoir des dimensions latérales (dimensions perpendiculaires à la direction de propagation de la lumière 12) bien inférieures à celles du faisceau lumineux de la lumière 12. Il est par exemple possible d'obtenir un nanojet photonique 18 dont la largeur à mi- hauteur (FWHM pour « Full Width at Half Maximum ») est égale à environ 200 nm à partir d'un particule 10 sphérique de diamètre égal à environ 1 μιη et en utilisant un laser émettant un faisceau lumineux de diamètre supérieur à 5 μηι comme lumière 12. L'énergie lumineuse ainsi concentrée peut conduire par exemple à l'ablation d'un substrat sur lequel les particules sont déposées. Un autre avantage de cette technique est l'efficacité de concentration obtenue grâce aux particules, ce qui permet d'utiliser des lasers de plus faible puissance que ceux utilisés pour graver directement la matière considérée. Enfin, cette technique permet de réaliser une focalisation simultanée en plusieurs points. Ainsi, un seul tir laser peut générer des centaines d'impacts simultanément. Dans ce cas, pour augmenter les fluences et permettre l'ablation, les sources considérées sont puisées temporellement.
Selon cette technique, il est également possible de texturer des surfaces en exposant sous une lumière UV une monocouche de particules sphériques déposées au préalable sur une couche de matériau photosensible, puis en développant ensuite le matériau photosensible. Dans ce cas, on peut considérer des sources UV non puisées.
Cette technique de structuration par nanojets photoniques permet notamment de structurer de grandes surfaces de matériau sans avoir à réaliser chaque structuration individuellement puisque les particules, qui sont disposées sur la surface à texturer sous la forme d'une couche, peuvent être illuminées collectivement par une même source lumineuse. Dans le cas d'un dépôt régulier de particules sphériques quasi- identiques, l'arrangement naturel des particules conduit à une structure périodique hexagonale. Il est possible d'obtenir de très nombreux motifs (plus de 109 dans le cas d'une monocouche) tels que des nano-trous (par phénomène d'ablation ou de photoréticulation d'une résine photosensible positive) ou des nanostructures en relief (par photoréticulation d'une résine photosensible négative).
Le nanojet photonique 18 obtenu avec cette technique a une certaine longueur (dimension parallèle à la direction de propagation de la lumière 12), largeur (dimension perpendiculaire à la longueur) et une certaine position, ou distance, par rapport à la région de sortie 16 de la particule 10. Ces paramètres dépendent notamment du diamètre de la particule 10 qui est sphérique. Il n'est toutefois pas possible de modifier la focalisation du nanojet photonique (correspondant au rapport de la longueur sur la largeur à mi-hauteur du nanojet photonique) lorsque de telles particules sphériques 10 sont utilisées.
De plus, la concentration de l'énergie lumineuse obtenue avec de telles particules 10 n'est pas optimale car une partie de cette énergie peut être localisée à l'intérieur même de la particule 10 et donc être perdue car cette partie de l'énergie ne peut être utilisée pour la structuration.
Le document « Highly confined photonic nanojet from elliptical particles » de T. Jalali et al., Journal of Modem Optics, 2014, vol. 61, n°13, pp. 1069-1076, décrit l'utilisation de particules de forme elliptique, ou plus précisément en forme d'ellipsoïde de révolution aplati (« oblate ellipsoïde of révolution »), ou sphéroïde aplati (« oblate sphéroïde »), pour générer des nanojets photoniques. L'utilisation de telles particules permet de modifier la position des nanojets photoniques par rapport aux régions de sortie des particules. Par contre, ces particules ne permettent pas d'optimiser la concentration d'énergie au sein des nanojets photoniques, une grande partie de cette énergie étant localisée dans les particules.
Le document « Préparation of non-spherical particles by shell-shield etching for near-field nanopatterning » de J. Ye et al., Nanotechnology 25 275303, 2014, décrit la mise en œuvre d'une méthode non conventionnelle appelée « Shell-shield etching » permettant de fabriquer des particules en polymère de formes variées, par exemple en forme de gouttes, de croissants ou encore correspondant à la réunion de deux hémisphères de dimensions différentes. Les formes proposées sont toutefois peu adaptées pour une disposition des particules en couche pour réaliser une texturation de surface.
Dans le document « Manipulation of lens-shaped objects in various materials to enhance photonic nanojet using MMP method » de T. Jalali, Journal of Optics 16 035705, 2014, des particules ayant une forme de lentilles et réalisées avec différents matériaux sont utilisées pour générer des nanojets photoniques. De telles particules permettent bien une mise en forme des nanojets. Toutefois, des pertes d'énergie importantes se produisent au sein des particules dans chacune des simulations présentées.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Un but de la présente invention est de proposer un procédé de génération de nanojets photoniques dont les paramètres soient optimisés, notamment en termes de concentration d'énergie, de focalisation, de dimensions (transverses et longitudinales) et de position par rapport aux particules utilisées pour les générer.
Pour cela, la présente invention propose un procédé de génération de nanojets photoniques, comportant au moins une illumination de particules de matériau diélectrique au moins partiellement transparentes vis-à-vis d'une lumière illuminant une région d'entrée de chaque particule, formant un nanojet photonique au niveau d'une région de sortie, opposée à la région d'entrée, de chaque particule, dans lequel chaque particule comporte au moins :
- une première portion sensiblement en forme d'un demi-ellipsoïde de révolution (ou demi-sphéroïde), et formant la région de sortie de la particule,
- une deuxième portion sensiblement en forme d'au moins une partie d'un demi-ellipsoïde de révolution et comportant une première surface plane sensiblement en forme de disque et disposée contre une surface plane de la première portion,
et dans lequel chaque particule est telle que :
- la surface plane de la première portion et la première surface plane de la deuxième portion ont des dimensions similaires,
- une dimension de la deuxième portion, qui est perpendiculaire à la première surface plane de la deuxième portion, est différente d'une dimension de la première portion qui est perpendiculaire à la première surface plane de la deuxième portion,
- la région de sortie est formée par une partie de la première portion opposée à la surface plane de la première portion.
La surface plane de la première portion est en forme de disque car la première portion correspond à une demi-sphère.
L'invention propose de faire appel à des particules de forme inédite pour générer des nanojets photoniques, permettant de contrôler et optimiser la focalisation, les dimensions et la position des nanojets photoniques par rapport aux particules utilisées pour les générer, et cela grâce à l'asymétrie de la forme des particules car pour chaque particule, la première portion a une forme différente de la deuxième portion (du fait que la dimension de la deuxième portion, qui est perpendiculaire à la première surface plane de la deuxième portion, est différente de la dimension de la première portion qui est perpendiculaire à la première surface plane de la deuxième portion).
L'utilisation de telles particules permet également de bien contrôler la concentration d'énergie au sein des nanojets photoniques, et éviter notamment les pertes d'énergie au sein des particules.
Le terme « nanojet photonique » est utilisé ici pour désigner un jet photonique, caractérisé par une concentration du champ électrique ayant des dimensions nanométriques et/ou micrométriques.
La deuxième portion peut avoir la forme d'un demi-ellipsoïde de révolution aplati, c'est-à-dire tel que la hauteur de ce demi-ellipsoïde soit inférieure au rayon de sa base qui correspond à la première surface plane, ou la forme d'un demi- ellipsoïde de révolution allongé, c'est-à-dire tel que la hauteur de ce demi-ellipsoïde soit supérieure au rayon de sa base, ou une forme de demi-sphère. Un demi-ellipsoïde de révolution aplati ou allongé ne correspond pas à une forme de demi-sphère (qui correspond à un demi-ellipsoïde de révolution dont la hauteur est égale au rayon de sa base).
La première portion peut avoir la forme d'un demi-ellipsoïde de révolution, c'est-à-dire soit un demi-ellipsoïde de révolution aplati, soit un demi-ellipsoïde de révolution allongé, soit une demi-sphère.
Dans tous les cas, pour chaque particule, la hauteur de la première portion est différente de la hauteur de la deuxième portion, conférant ainsi un caractère asymétrique à la forme de chaque particule.
Selon un premier mode de réalisation, chaque particule peut être telle que :
- la première portion soit sensiblement en forme de demi-sphère,
- la deuxième portion soit sensiblement en forme d'un demi-ellipsoïde de révolution aplati, - la région d'entrée soit formée par une partie de la deuxième portion opposée à la première surface plane de la deuxième portion.
De telles particules selon ce premier mode de réalisation sont avantageusement utilisées pour la génération de nanojets photoniques de longueurs importantes.
Selon un deuxième mode de réalisation, le procédé peut être tel que :
- chaque particule est telle que la deuxième portion est sensiblement en forme d'un demi-ellipsoïde de révolution tronqué comportant une deuxième surface plane, opposée à la première surface plane de la deuxième portion, de dimensions inférieures à celles de la première surface plane de la deuxième portion et qui est sensiblement en forme de disque,
- chaque particule comporte en outre une troisième portion sensiblement en forme de demi-ellipsoïde de révolution (c'est-à-dire aplati ou allongé ou en forme de demi-sphère), dont une première surface plane est disposée contre la deuxième surface plane de la deuxième portion et a des dimensions similaires à celles de la deuxième surface plane de la deuxième portion,
- chaque particule est telle que la région d'entrée est formée par une partie de la troisième portion opposée à la première surface plane de la troisième portion.
La première surface plane de la troisième portion est en forme de disque car la troisième portion correspond ici à un demi-ellipsoïde de révolution.
De telles particules selon ce deuxième mode de réalisation permettent notamment d'obtenir un bon compromis entre la longueur des nanojets photoniques et la concentration d'énergie au sein des nanojets photoniques.
Dans un cas avantageux de ce deuxième mode de réalisation :
- la première portion est sensiblement en forme de demi-sphère,
- la deuxième portion est sensiblement en forme d'un demi-ellipsoïde de révolution aplati et tronqué,
- la troisième portion est sensiblement en forme de demi-sphère. Selon un troisième mode de réalisation, le procédé peut être tel que : - chaque particule est telle que la deuxième portion est sensiblement en forme d'un demi-ellipsoïde de révolution tronqué comportant une deuxième surface plane, opposée à la première surface plane de la deuxième portion, de dimensions inférieures à celles de la première surface plane de la deuxième portion et qui est sensiblement en forme de disque,
- chaque particule comporte en outre une troisième portion sensiblement en forme de demi-ellipsoïde de révolution tronqué comportant une première surface plane sensiblement en forme de disque, de dimensions similaires à celles de la deuxième surface plane de la deuxième portion et qui est disposée contre la deuxième surface plane de la deuxième portion, et comportant une deuxième surface plane, opposée à la première surface plane de la troisième portion, sensiblement en forme de disque et de dimensions inférieures à celles de la première surface plane de la troisième portion,
- chaque particule comporte en outre une quatrième portion sensiblement en forme de demi-ellipsoïde de révolution dont une surface plane est disposée contre la deuxième surface plane de la troisième portion et a des dimensions similaires à celles de la deuxième surface plane de la troisième portion,
- chaque particule est telle que la région d'entrée est formée par une partie de la quatrième portion opposée à la surface plane de la quatrième portion.
La surface plane de la quatrième portion est en forme de disque car la quatrième portion correspond à un demi-ellipsoïde de révolution.
De telles particules selon ce troisième mode de réalisation permettent notamment d'obtenir une forte concentration d'énergie au sein des nanojets photoniques.
Dans un cas avantageux de ce troisième mode de réalisation :
- la première portion est sensiblement en forme de demi-sphère,
- la deuxième portion est sensiblement en forme d'un demi-ellipsoïde de révolution aplati et tronqué,
- la troisième portion est sensiblement en forme d'un demi-ellipsoïde de révolution aplati et tronqué, - la quatrième portion est sensiblement en forme de demi-sphère.
Le matériau diélectrique peut être un oxyde (par exemple du Si02) et/ou un polymère (par exemple du PS) et/ou un matériau hybride organique / inorganique (par exemple un matériau sol-gel organo-minéral). Ce matériau est essentiellement transparent à la longueur d'onde de la lumière d'illumination (silice, verre, etc.).
La lumière illuminant les régions d'entrée des particules peut être produite par un dispositif laser, formant par exemple un faisceau de profil Gaussien ou proche. La lumière illuminant les régions d'entrée des particules peut provenir d'une source de lumière incohérente (par exemple une lampe ou des LEDs). Le choix du type de lumière utilisée dépend du résultat à obtenir (ablation, fusion, réticulation) et peut être puisée ou continue.
Les particules peuvent être disposées les unes à côté des autres en quinconce sur plusieurs lignes et plusieurs colonnes (disposition en monocouche de type hexagonale), et/ou disposées en contact les unes à côté des autres (disposition en monocouche de type compact). Une disposition en monocouche (c'est-à-dire une couche formée d'une seule épaisseur de particules) de type hexagonale compact a notamment pour avantage d'obtenir une forte densité de particules au sein de la couche, et donc de réaliser par exemple des structurations micrométriques et/ou nanométriques avec une forte densité et organisées de façon périodique.
L'invention concerne également un procédé de texturation d'une surface de matériau, comportant la mise en œuvre d'un procédé de génération de nanojets photoniques tel que décrit ci-dessus, et dans lequel les particules sont disposées en monocouche sur la surface de matériau avant l'illumination des particules.
L'illumination des particules peut être réalisée avec une lumière de type laser, par exemple produite par un laser impulsionnel nanoseconde, picoseconde ou femtoseconde tel qu'un laser impulsionnel picoseconde de longueur d'onde égale à 1064 nm ou encore un laser impulsionnel femtoseconde de longueur d'onde égale à 800 nm, telle que les nanojets photoniques gravent le matériau de la surface par ablation. Du fait que les nanojets photoniques obtenus peuvent avoir une densité d'énergie plus importante et/ou une meilleure définition en termes de dimensions, focalisation et positionnement que dans le cas de nanojets photoniques obtenus selon les procédés de l'art antérieur, l'ablation peut être réalisée plus rapidement, plus efficacement, plus profondément, ou encore être mise en œuvre pour des matériaux à grande dureté.
En variante, l'illumination des particules peut être réalisée avec une lumière de type laser, par exemple infrarouge continue ou impulsionnelle, telle que les nanojets photoniques réalisent une fusion localisée des particules avec le matériau de la surface.
L'invention porte également sur un procédé de photoréticulation d'une surface de matériau, comportant la mise en œuvre d'un procédé de génération de nanojets photoniques tel que décrit ci-dessus, dans lequel les particules sont disposées en monocouche sur la surface de matériau avant l'illumination des particules, et dans lequel l'illumination des particules est réalisée avec une lumière UV cohérente (par exemple issue d'un laser) ou incohérente (par exemple issue d'une lampe UV ou de LEDs UV). Du fait que les nanojets photoniques obtenus peuvent avoir une densité d'énergie plus importante et/ou une meilleure définition en termes de dimensions, focalisation et positionnement que dans le cas de nanojets photoniques obtenus selon les procédés de l'art antérieur, la photoréticulation peut être réalisée plus rapidement, plus efficacement ou plus profondément dans le matériau (par exemple pour la réalisation de motifs avec un grand rapport de forme).
Le matériau de la surface peut être un matériau photosensible (positif ou négatif), le procédé de photoréticulation pouvant comporter en outre, après la mise en œuvre du procédé de génération des nanojets photoniques, des étapes du domaine de la photolithographie telles que des étapes de recuits thermiques et de développement du matériau photosensible. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement le principe de génération d'un nanojet photonique ;
- la figure 2 représente schématiquement une vue de dessus d'une pluralité de particules utilisées dans un procédé de génération de nanojets photoniques, objet de la présente invention ;
- les figures 3 à 5 représentent schématiquement des vues en coupe de profil d'une particule utilisée dans un procédé de génération de nanojets photoniques, objet de la présente invention, selon différents modes de réalisation.
Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures décrites ci-après portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre.
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
On se réfère tout d'abord à la figure 2 qui représente schématiquement une vue de dessus d'une pluralité de particules 100 de matériau diélectrique utilisées pour la mise en œuvre d'un procédé de génération de nanojets photoniques.
Ce procédé est mis en œuvre à partir d'une pluralité de particules 100 disposées sur un substrat 101 les unes à côté des autres sous la forme d'une monocouche, et en quinconce sur plusieurs lignes et plusieurs colonnes (agencement de type hexagonal). Sur la figure 2, les particules 100 sont disposées selon 4 lignes et 8 colonnes. De plus, sur cette figure 2, les particules 100 sont espacées les unes des autres. En variante, les particules 100 voisines peuvent être en contact les unes avec les autres, en formant par exemple une monocouche de type hexagonal compact.
Les particules 100 sont réalisées en un matériau diélectrique au moins partiellement transparent vis-à-vis de la lumière destinée à illuminer les particules 100 pour générer les nanojets photoniques. Cette lumière correspond par exemple à un faisceau laser. Les particules 100 comportent par exemple un oxyde tel que du Si02 ou du verre, et/ou un polymère (PS, PMMA, etc.).
La figure 3 représente une particule 100 selon un premier mode de réalisation. Dans ce premier mode de réalisation, la particule 100 comporte une première portion 102 de forme sensiblement hémisphérique, ou sensiblement en forme de demi- sphère, correspondant à la partie inférieure de la particule 100. Cette première portion 102 comporte, à son sommet, une surface plane 104 comprenant une section, dans le plan (X,Y), en forme de disque et représentée symboliquement par des pointillés sur la figure 3.
La particule 100 comporte également une deuxième portion 106 sensiblement en forme de demi-ellipsoïde de révolution, ou demi-sphéroïde, aplati, dont une surface plane 108 est disposée contre la surface plane 104 de la première portion 102. Comme la surface plane 104, la surface plane 108 a une section, dans le plan (X,Y), en forme de disque. Les surfaces planes 104 et 108 ont, dans le plan (X,Y), des dimensions similaires. La dimension Li correspond au diamètre des surfaces planes 104 et 108. En variante, la deuxième portion 106 pourrait être sensiblement en forme de demi-ellipsoïde de révolution allongé (la forme de demi-ellipsoïde de révolution aplati étant toutefois préférée et moins complexe à réaliser).
La première portion 102 étant ici de forme hémisphérique, elle a une hauteur hi (dimension perpendiculaire à la surface plane 104) égale à Li/2. La deuxième portion 106 a une hauteur h2 (dimension perpendiculaire à la surface plane 108) dont la valeur est indépendante de la valeur de Li (avec h2 < Li/2 dans le cas d'un demi-ellipsoïde de révolution aplati, ou h2 > Li/2 dans le cas d'un demi-ellipsoïde de révolution allongé). Les valeurs de Li et h2 sont choisies en fonction des paramètres souhaités (dimensions, focalisation, position par rapport à la particule 100, concentration d'énergie) du nanojet photonique destiné à être obtenu à partir de cette particule 100.
La particule 100 est destinée à recevoir une lumière au niveau d'une région d'entrée 110 correspondant à la partie de la surface extérieure de la deuxième portion 106 opposée à la surface plane 108. Lors d'une telle illumination, un nanojet photonique se forme alors au niveau d'une région de sortie 112 correspondant à la partie de la surface extérieure de la première portion 102 opposée à la surface plane 104.
Des simulations permettant de caractériser les nanojets photoniques obtenus avec les particules 100 sont par exemple réalisées par un logiciel de simulation basé sur la méthode RCWA (« Rigorous Coupled-Wave Analysis », ou méthode rigoureuse des ondes couplées), également appelée méthode modale de Fourier. Cette méthode, très largement utilisée dans le calcul électromagnétique des réseaux de diffraction, consiste à calculer l'expression complexe (module et phase) du champ électrique à l'intérieur d'un réseau sous la forme d'ondes couplées se propageant suivant l'axe normal au réseau, et permet de calculer les propriétés optiques d'un réseau périodique ayant une dimension infinie. L'utilisation d'une telle méthode est par exemple décrite dans le document « Diffraction analysis of dielectric surface-relief gratings » de M. G. Moharam et al., J. Opt. Soc. Am., vol.72, n°10, octobre 1982.
Même si la méthode de calcul de RCWA est rigoureuse, un nombre suffisant d'ordres de diffraction sont conservés lors des simulations, généralement entre 8 et 50, par exemple 12. En effet, même si le cas d'une onde incidente perpendiculaire est étudié avec une excitation de l'ordre 0 de diffraction, un certain nombre d'ordres de diffraction sont conservés pour ne pas tronquer trop sévèrement la précision des calculs. En théorie, un nombre infini d'ordres sont nécessaires mais les ordres supérieurs non excités correspondent à des ondes évanescentes et ne contiennent pas d'énergie. L'erreur commise en les supprimant du calcul est donc faible. Lorsque cette méthode est mise en œuvre pour la simulation des nanojets photoniques à partir de particules, elle utilise un découpage spatial du réseau de particules dans la direction orthogonale au réseau.
Les simulations réalisées permettent d'obtenir la distribution spatiale du champ électrique dans et autour des particules 100 à partir de laquelle la répartition de l'énergie des nanojets photoniques peut être calculée.
Les longueurs A des nanojets photoniques obtenus sont également calculées à partir des simulations réalisées. La longueur A d'un nanojet photonique est la dimension du nanojet photonique calculée à partir du profil du champ électrique correspondant au nanojet photonique dans un plan Pi qui est à la fois parallèle à la direction de propagation principale de l'énergie lumineuse depuis la région de sortie 112 (qui est parallèle à la direction de propagation de la lumière envoyée sur la région d'entrée 110 lorsque cette lumière est appliquée sur la particule 100 avec un angle d'incidence nul), perpendiculaire au substrat 101 (ou au plan de la surface sur laquelle les particules 100 sont symboliquement disposées du fait que les simulations sont ici réalisées en faisant abstraction du substrat 101), qui passe par le centre de la particule 100 qui produit le nanojet photonique, et dont l'abscisse est parallèle à la direction de propagation principale de l'énergie lumineuse depuis la région de sortie 112. Sur l'exemple de la figure 3, cette longueur A correspond à la dimension du nanojet photonique selon l'axe Z dans le plan Pi, et le plan Pi correspond à un plan parallèle au plan (Y,Z) qui passe par le centre de la particule 100. La longueur A correspond à la plus grande dimension du nanojet photonique. Cette longueur A est exprimée selon l'équation suivante :
A (Zmax extérieur— Zsortie) (Zmin extérieur— Zmax extérieur) avec Zmax extérieur : position, hors de la particule 100, de la valeur maximale du champ électrique le long de l'abscisse du plan Pi ;
ZSortie : position du champ électrique en sortie de la particule 100 le long de l'abscisse du plan Pi (c'est-à-dire la position de la région de sortie 112 dans le plan Pi) ;
Zmin extérieur : position, hors de la particule 100, de la valeur minimale du champ électrique le long de l'abscisse du plan Pi.
Les positions ΔΖ des nanojets photoniques obtenus par rapport aux régions de sortie des particules 100 sont également calculées. La position ΔΖ d'un nanojet photonique est calculée à partir du profil du champ électrique dans le plan Pi, et est exprimée selon l'équation suivante :
ΔΖ— Zmax extérieur— Zsortie
Les largeurs à mi-hauteur B (FWHM) des nanojets photoniques obtenus sont également calculées à partir des simulations réalisées. La largeur B d'un nanojet photonique est calculée à partir du profil du champ électrique correspondant au nanojet photonique dans un plan P2 qui est perpendiculaire à la direction de propagation principale de l'énergie lumineuse depuis la région de sortie 112, qui passe par la position Zmax_extérïeur, et dont l'abscisse est parallèle au substrat 101 ou au plan de la surface sur laquelle les particules 100 sont symboliquement disposées. La largeur à mi-hauteur B est égale à la largeur du profil du champ électrique dans le plan P2, à une hauteur correspondant à la moitié de la valeur maximale du champ électrique dans ce plan P2. Sur l'exemple de la figure 3, largeur à mi-hauteur B correspond à la dimension du nanojet photonique selon l'axe X dans le plan P2, et le plan P2 correspond à un plan parallèle au plan (X,Z) qui passe par la position Zmax_exteneur-
A partir de la largeur à mi-hauteur B et de la longueur A d'un nanojet photonique, il est possible d'exprimer la focalisation F de ce nanojet photonique, telle que F = 100*(A/B). Cette focalisation F peut être assimilée au rapport de forme du nanojet photonique, multiplié par 100.
Enfin, ces simulations permettent de déterminer la valeur du champ électrique à l'intérieur des particules 100.
Les résultats de simulation décrits ci-dessous sont obtenus pour les paramètres de simulation suivants :
- les particules 100 sont disposées en quinconce telles que chaque particule 100 est en contact avec les particules 100 voisines (formant donc une monocouche de type hexagonal compact), et en considérant qu'elles ne sont pas disposées sur un substrat (c'est-à-dire en considérant un substrat et un superstrat théoriques identiques et d'indice optique égal à 1) ;
- les particules 100 sont illuminées avec une lumière incidente de longueur d'onde égale à 365 nm, polarisée linéairement et formant un angle d'incidence nul avec les régions d'entrée 110 des particules 100 (formant une onde plane par rapport aux régions d'entrée 110) ; L'orientation du champ électrique de l'onde incidente est parallèle à une des trois directions du réseau hexagonal formé par la couche de particules 100 ;
- la première portion 102 est modélisée avec 17 couches discrétisées chacune de hauteur (dimension selon l'axe Z) égale à 28,57 nm, et la deuxième portion 106 est modélisée avec 18 couches discrétisées chacune de hauteur (dimension selon l'axe Z) dépendant de la hauteur h2 désirée ;
- les portions 102 et 106 sont des portions de silice d'indice de réfraction égal à 1,45 et de permittivité égale à 2,1025 F/m ;
- les particules 100 sont entourées d'air de permittivité égale à 1 F/m et d'indice de réfraction égale à 1.
Le tableau ci-dessous donne les caractéristiques des nanojets photoniques obtenus à partir d'une monocouche de type hexagonal compact de particules 100 selon le premier mode de réalisation précédemment décrit, en faisant varier la hauteur h2 de la deuxième portion 106.
Figure imgf000018_0001
Dans le tableau ci-dessus, la valeur de l'énergie indiquée correspond au résultat d'une intégration de l'énergie, c'est-à-dire la somme de l'énergie présente dans le nanojet photonique. Enfin, les valeurs ci-dessus sont obtenues en considérant que le diamètre Li des surfaces planes 104 et 108 est égal à 1 μιη (et donc que hi = 500 nm).
Ce tableau montre que le meilleur compromis sur les paramètres des nanojets photoniques est obtenu lorsque h2 = 256 nm, c'est-à-dire lorsque le rapport de h2 sur Li/2 est proche ou égal à environ 0,5. Par comparaison, les nanojets photoniques obtenus à partir d'une couche de type hexagonal compact de particules sphériques de diamètre égale à 1 μιη, avec les mêmes paramètres de simulation, ont les caractéristiques suivantes : B = 359 nm, A = 601 nm, F = 167, Energie = 172 10 17 J, ΔΖ = 26. Ainsi, l'utilisation des particules 100 selon le premier mode de réalisation permet d'obtenir des gains notables sur l'énergie (+60 % lorsque h2 = 256 nm), la focalisation (multipliée d'un facteur égal à 1,77 lorsque h2 = 256 nm), la largeur à mi-hauteur (-41 % lorsque h2 = 256 nm), la longueur (+37 % lorsque h2 = 256 nm) des nanojets photoniques obtenus, et permet d'avoir une position ΔΖ des nanojets photoniques en dehors des particules 100.
En éloignant les particules 100 les unes des autres telles que les centres de deux particules 100 voisines soient espacés d'une distance égale à 1,2 μιη, ce qui correspond à des particules voisines éloignées de 200 nm les unes des autres, et en choisissant h2 = 256 nm, l'énergie obtenue est égale à 225.10 17 J, la focalisation F obtenue est égale à 162, la position ΔΖ est égale à 17, la largeur à mi-hauteur B est égale à 351 nm et la longueur A est égale à 569 nm.
En variante, il est possible que la première portion 102 de chaque particule 100 soit en forme de demi-ellipsoïde de révolution aplati ou allongé, c'est-à-dire telle que hi≠ Li/2. L'asymétrie de chaque particule 100 est obtenue du fait que l'on a toujours hi≠ h2. Dans cette variante, la deuxième portion 106 peut être en forme de demi-ellipsoïde de révolution aplati ou allongé, ou bien en forme de demi-sphère.
La figure 4 représente un deuxième mode de réalisation de particule 100. Dans ce deuxième mode de réalisation, la particule 100 comporte la première portion 102 sensiblement en forme de demi-sphère, correspondant à la partie inférieure de la particule 100, similaire à celle précédemment décrite pour la particule 100 selon le premier mode de réalisation. Cette première portion 102 comporte la surface plane 104.
La particule 100 selon ce deuxième mode de réalisation comporte également la deuxième portion 106 sensiblement en forme de demi-ellipsoïde de révolution, ou demi-sphéroïde, aplati et tronqué, dont la surface plane 108, appelée première surface plane 108, est disposée contre la surface plane 104 de la première portion 102. Comme la surface plane 104, la première surface plane 108 a une section, dans le plan (Χ,Υ), en forme de disque. Les surfaces planes 104 et 108 ont, dans le plan (X,Y), des dimensions similaires, et notamment un même diamètre Li.
Dans ce deuxième mode de réalisation, une partie de la deuxième portion 106 est tronquée en formant une deuxième surface plane 114 opposée à la première surface plane 108. La deuxième surface plane 114 est sensiblement parallèle à la première surface plane 108 et a une forme de disque. Les dimensions de la deuxième surface plane 114 (le diamètre), dans le plan (X,Y), sont inférieures à celles de la première surface plane 108. En variante, la deuxième portion 106 pourrait être sensiblement en forme de demi-ellipsoïde de révolution allongé (la forme de demi-ellipsoïde de révolution aplati étant toutefois préférée et moins complexe à réaliser).
La particule 100 comporte en outre une troisième portion 116 sensiblement en forme de demi-ellipsoïde de révolution, c'est-à-dire aplati ou allongé ou en forme de demi-sphère, dont une surface plane 118 (en forme de disque) est disposée contre la deuxième surface plane 114 de la deuxième portion 106. La deuxième surface plane 114 de la deuxième portion 106 et la surface plane 118 de la troisième portion 116 ont des dimensions similaires. La dimension L2 (parallèle au plan (X,Y)) correspond au diamètre du disque formé au niveau des surfaces planes 114 et 118. La valeur de h2 est indépendante de celles de Li et L2.
La troisième portion 116 étant sensiblement en forme de demi- ellipsoïde de révolution, elle a une hauteur h3 (dimension perpendiculaire à la surface plane 118 et parallèle à l'axe Z) proche de ou égale à L2/2. Les valeurs Li, h2, L2 et h3 sont choisies en fonction des paramètres souhaités du nanojet photonique destiné à être obtenu à partir de cette particule 100.
Dans ce deuxième mode de réalisation, la particule 100 est destinée à recevoir une lumière au niveau de la région d'entrée 110 correspondant à la partie de la surface extérieure de la troisième portion 116 opposée à la surface plane 118. Lors d'une telle illumination, un nanojet photonique se forme alors au niveau de la région de sortie 112 qui correspond, comme dans le premier mode de réalisation, à la partie de la surface extérieure de la première portion 102 qui est opposée à la surface plane 104. Des simulations, dans des conditions similaires à celles précédemment décrites pour la particule 100 selon le premier mode de réalisation, sont mises en œuvre afin de caractériser les nanojets photoniques obtenus à partir de telles particules 100. De plus, pour les simulations décrites ci-dessous, la troisième portion 116 est modélisée avec 15 couches discrétisées. Le paramètre N2 correspond au nombre de couches discrétisées avec lesquelles la deuxième portion 106 est modélisée.
Le tableau ci-dessous donne les caractéristiques des nanojets photoniques obtenus à partir d'une monocouche de type hexagonal compact de particules 100 selon le deuxième mode de réalisation, en faisant varier notamment la hauteur h3 de la troisième portion 116.
Figure imgf000021_0001
Dans le tableau ci-dessus, la valeur de l'énergie indiquée correspond au résultat d'une intégration de l'énergie, c'est-à-dire la somme de l'énergie présente dans le nanojet photonique. Les valeurs ci-dessus sont obtenues en considérant que le diamètre Li des surfaces planes 104 et 108 est égal à 1 μιη. Ce tableau montre que le meilleur compromis sur les paramètres des nanojets photoniques est obtenu lorsque h3 = 213 nm et L2 = 500 nm.
Ainsi, par rapport à la génération de nanojets photoniques à partir d'une couche de type hexagonal compact de particules sphériques de diamètre égale à 1 μιη et avec les mêmes paramètres de simulation, l'utilisation des particules 100 selon ce deuxième mode de réalisation permet d'obtenir des gains notables sur l'énergie (+41 % lorsque h3 = 213 nm), la focalisation (multipliée d'un facteur égal à 2,8 lorsque h3 = 213 nm), la largeur à mi-hauteur (-53 % lorsque h3 = 213 nm), la longueur (+30 % lorsque h3 = 213 nm) des nanojets photoniques obtenus, et permet d'avoir une position ΔΖ des nanojets en dehors des particules 100.
En éloignant les particules 100 les unes des autres telles que les centres de deux particules 100 voisines soient espacés d'une distance égale à 1,2 μιη, et en choisissant h3 = 213 nm, h2 = 228 nm et N2 = 16, l'énergie obtenue est égale à 208.10 17 J, la focalisation F obtenue est égale à 384, la position ΔΖ est égale à 0, la largeur à mi- hauteur B est égale à 144 nm et la longueur A est égale à 553 nm.
En variante, il est possible que la première portion 102 de chaque particule 100 soit en forme de demi-ellipsoïde de révolution aplati ou allongé. Dans cette variante, la deuxième portion 106 peut être en forme de demi-ellipsoïde de révolution aplati ou allongé, ou bien en forme de demi-sphère.
La figure 5 représente un troisième mode de réalisation de particule
100. Dans ce troisième mode de réalisation, la particule 100 comporte la première portion 102 sensiblement en forme de demi-sphère, correspondant à la partie inférieure de la particule 100, comme dans les deux précédents modes de réalisation. Cette première portion 102 comporte la surface plane 104.
La particule 100 selon ce troisième mode de réalisation comporte également la deuxième portion 106 sensiblement en forme de demi-ellipsoïde de révolution, ou demi-sphéroïde, aplati et tronqué, comme dans le deuxième mode de réalisation, dont la première surface plane 108 est disposée contre la surface plane 104 de la première portion 102. Comme la surface plane 104, la première surface plane 108 (en forme de disque) a une section, dans le plan (X,Y), en forme de disque. Les surfaces planes 104 et 108 ont, dans le plan (X,Y), des dimensions similaires, et notamment un même diamètre Li.
Comme précédemment, la deuxième portion 106 est tronquée en formant la deuxième surface plane 114 opposée à la première surface plane 108. La deuxième surface plane 114 est sensiblement parallèle à la première surface plane 108, et a une forme de disque. Les dimensions de la deuxième surface plane 114 (le diamètre), dans le plan (X,Y), sont inférieures à celles de la première surface plane 108.
La particule 100 comporte également la troisième portion 116 qui est ici sensiblement en forme de demi-ellipsoïde de révolution tronqué aplati ou en forme demi- sphère tronquée, dont une première surface plane 118 (en forme de disque) est disposée contre la deuxième surface plane 114 de la deuxième portion 106. La deuxième surface plane 114 de la deuxième portion 106 et la première surface plane 118 de la troisième portion 116 ont des dimensions similaires.
Dans ce troisième mode de réalisation, une partie de la troisième portion 116 est tronquée en formant une deuxième surface plane 120 opposée à la première surface plane 118. La deuxième surface plane 120 est sensiblement parallèle à la première surface plane 118 et a une forme de disque. Les dimensions de la deuxième surface plane 120 (le diamètre), dans le plan (X,Y), sont inférieures à celles de la première surface plane 118.
La particule 100 comporte en outre une quatrième portion 122 sensiblement en forme de demi-ellipsoïde de révolution aplati ou en forme de demi- sphère, dont une surface plane 124 (en forme de disque) est disposée contre la deuxième surface plane 120 de la troisième portion 116. La deuxième surface plane 120 de la troisième portion 116 et la surface plane 124 de la quatrième portion 122 ont des dimensions similaires. La dimension L3 (parallèle au plan (X,Y)) correspond au diamètre du disque formé au niveau des surfaces planes 120 et 124.
La valeur de h2 est indépendante de celles de Li, L2 et L3.
La quatrième portion 122 étant sensiblement en forme de demi- ellipsoïde de révolution, elle a une hauteur h4 (dimension perpendiculaire à la surface plane 124 et parallèle à l'axe Z) proche de ou égale à L3/2. Les valeurs Li, h2, L2, L3, h3 et h4 sont choisies en fonction des paramètres souhaités du nanojet photonique destiné à être obtenu à partir de cette particule 100.
Dans ce troisième mode de réalisation, la particule 100 est destinée à recevoir une lumière au niveau de la région d'entrée 110 correspondant à la partie de la surface extérieure de la quatrième portion 122 opposée à la surface plane 124. Lors d'une telle illumination, un nanojet photonique se forme alors au niveau de la région de sortie 112 qui correspond, comme dans les précédents modes de réalisation, à la partie de la surface extérieure de la première portion 102 qui est opposée la surface plane 104.
Des simulations, dans des conditions similaires à celles précédemment décrites pour la particule 100 selon les premier et deuxième modes de réalisation, sont mises en œuvre afin de caractériser les nanojets photoniques obtenus à partir de telles particules 100. De plus, pour les simulations décrites ci-dessous, la quatrième portion 122 est modélisée avec 15 couches discrétisées, et les paramètres suivants sont appliqués : L2 = 700 nm, N2 = 13 et h2 = 260 nm. Le paramètre N3 correspond au nombre de couches discrétisées avec lesquelles la deuxième portion 106 est modélisée.
Le tableau ci-dessous donne les caractéristiques des nanojets photoniques obtenus à partir d'une monocouche de type hexagonal compact de particules 100 selon le troisième mode de réalisation, en faisant varier notamment la hauteur h4 de la quatrième portion 122.
h4 (nm) 42,75 85,65 128,55 171 214 h3 (nm) 300 280 220 220 220
N3 15 14 11 11 11
Energie (10 17 J) 235 232 243 215 162
Focalisation F 177 374 200 354 342
ΔΖ (nm) 7 7 8 4 0
B (nm) 397 190 359 198 190 A (nm) 703 712 721 701 651
Dans le tableau ci-dessus, la valeur de l'énergie indiquée correspond au résultat d'une intégration de l'énergie, c'est-à-dire la somme de l'énergie présente dans le nanojet photonique. Les valeurs ci-dessus sont obtenues en considérant que le diamètre Li des surfaces planes 104 et 108 est égal à 1 μιη.
En éloignant les particules 100 les unes des autres telles que les centres de deux particules 100 voisines soient espacés d'une distance égale à 1,2 μιη, et en choisissant h4 = 128,55 nm, h3 = 260 nm, N3 = 13, h2 = 240 nm et N2 = 12, l'énergie obtenue est égale à 397.10 17 J, la focalisation F obtenue est égale à 296, la position ΔΖ est égale à 90, la largeur à mi-hauteur B est égale à 160 nm et la longueur A est égale à 475 nm. Ce cas correspond au meilleur compromis des paramètres des nanojets photoniques obtenus pour des particules 100 selon ce troisième mode de réalisation.
Ainsi, par rapport à la génération de nanojets photoniques à partir d'une couche de type hexagonal compact de particules sphériques de diamètre égale à 1 μιη et avec les mêmes paramètres de simulation, l'utilisation des particules 100 selon ce troisième mode de réalisation permet d'obtenir des gains notables sur l'énergie (+131 % lorsque h4 = 128,55 nm avec des particules éloignées de 200 nm les unes des autres), la focalisation (multipliée d'un facteur égal à 1,77 lorsque h4 = 128,55 nm avec des particules éloignées de 200 nm les unes des autres), la largeur à mi-hauteur (-55,4 % lorsque h4 = 128,55 nm avec des particules éloignées de 200 nm les unes des autres) et permet d'avoir une position ΔΖ des nanojets en dehors des particules 100.
Les simulations ci-dessus réalisées pour les trois modes de réalisation des particules 100 montrent que selon les paramètres souhaités pour les nanojets photoniques, les particules 100 servant à générer ces nanojets photoniques sont réalisées selon l'un des trois modes de réalisation précédemment décrit choisi en fonction des caractéristiques souhaitées. Par exemple, si l'objectif technologique nécessite de générer des nanojets photoniques relativement long, il est avantageux de réaliser les particules 100 selon le premier mode de réalisation, c'est-à-dire comportant les deux portions 102 et 106. Si l'énergie est le critère privilégié, il est avantageux de réaliser les particules 100 selon le troisième mode de réalisation, c'est-à-dire comportant les quatre portions 102, 106, 116 et 122. Si la focalisation est le critère privilégié, il est avantageux de réaliser les particules 100 selon le deuxième mode de réalisation, c'est-à-dire comportant les trois portions 102, 106 et 116.
En variante, il est possible que la première portion 102 de chaque particule 100 soit en forme de demi-ellipsoïde de révolution aplati ou allongé. Dans cette variante, la deuxième portion 106 peut être en forme de demi-ellipsoïde de révolution aplati ou allongé, ou bien en forme de demi-sphère.
Dans les différents modes de réalisation ci-dessus, la particule 100 est décrite comme étant formée de plusieurs portions. Cette description en plusieurs portions distinctes permet de décrire géométriquement la particule 100. Toutefois, la particule 100 n'est formée physiquement que par une seule portion de matériau diélectrique dont la forme générale correspond à l'ensemble formé de ces différentes portions réunies. Ainsi, les traits pointillés représentant les surfaces au niveau des jonctions de ces différentes portions sont des séparations théoriques de ces portions et ne correspondent pas à des délimitations physiques séparant les différentes portions les unes des autres.
Bien que les dimensions des nanojets photoniques décrits précédemment soient nanométriques, il est possible de générer des jets photoniques de dimensions micrométriques en adaptant les dimensions des particules 100, notamment la dimension Li.
Quel que soit le mode de réalisation choisi, les particules 100 peuvent être réalisées par gravure RIE (gravure ionique réactive) du matériau diélectrique choisi pour former les particules 100, cette gravure pouvant être mise en œuvre à partir de particules sphériques synthétisées par exemple par réaction d'oxydoréduction, précipitation ou encore polymérisation, ou toute autre technique adaptée. Le document « Synthèse et valorisation de particules colloïdales de morphologie et de fonctionnalités de surface contrôlées » de A. Perro, thèse de l'université Bordeaux 1, n° de l'ordre : 3251, 2006, décrit par exemple différentes techniques de synthèse de particules sphériques à partir desquelles il est possible de réaliser les particules 100. D'autres techniques peuvent également être combinées pour la réalisation des particules 100, comme par exemple la gravure RIE, l'ablation laser, le dépôt sous vide, la gravure chimique, le greffage, etc.
Dans la description ci-dessus des particules 100 selon les différents modes de réalisation, les formes géométriques utilisées pour définir les particules 100 doivent être comprises comme n'étant pas parfaites, en raison des tolérances et imprécisions dues notamment aux techniques mises en œuvre et aux matériaux utilisés pour réaliser les particules 100.
Une monocouche de particules 100 est par exemple réalisée via un dépôt au déroulé dont un exemple est donné ci-dessous.
Les particules 100 sont disposées dans une solution se trouvant dans un système de dispense. Les particules 100 flottent à la surface du liquide porteur. Les particules 100 sont envoyées sur un convoyeur liquide permettant de transporter et agencer les particules 100 afin de former une couche compacte de particules 100. Ce convoyeur liquide s'écoule tout d'abord sur un plan incliné puis dans une zone horizontale appelée zone de transfert où les particules 100 s'accumulent. La liaison entre le liquide porteur et le substrat est assurée par un pont capillaire. Un substrat flexible ou rigide est mis en mouvement par un autre convoyeur (par exemple un rouleau d'entraînement dans le cas d'un substrat flexible, ou par une platine de translation verticale dans le cas d'un substrat rigide) au niveau du pont capillaire, disposant ainsi les particules 100 sur le substrat sous la forme d'une monocouche.
En variante, une couche de particules 100 peut être réalisée par dépôt par électrophorèse, ou bien les particules 100 peuvent être réparties par forces de capillarité de flottaison ou d'immersion sur le substrat.
Selon une autre variante, la monocouche de particules 100 peut être formée par un procédé de type Langmuir-Blodgett. Dans ce cas, les particules 100 sont dispensées à la surface d'un liquide. Une barrière vient ensuite compresser les particules 100 afin de les ordonner. La couche de particules 100 est ensuite déposée par tirage du substrat de manière verticale, la barrière accompagnant le mouvement du substrat pour garder une compression constante sur les particules 100. Le document « A Straightforward Way to Form Close-Packed Ti02 Particle Monolayers at an Air/Water Interface » de E. Cathy et al., Langmuir 2011, 27(3), pp. 887-894 décrit par exemple un tel procédé.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de génération de nanojets photoniques, comportant au moins une illumination de particules (100) de matériau diélectrique au moins partiellement transparentes vis-à-vis d'une lumière illuminant une région d'entrée (110) de chaque particule (100), formant un nanojet photonique au niveau d'une région de sortie (112), opposée à la région d'entrée (110), de chaque particule (100), dans lequel chaque particule (100) comporte au moins :
- une première portion (102) sensiblement en forme d'un demi- ellipsoïde de révolution et formant la région de sortie (112) de la particule (100),
- une deuxième portion (106) sensiblement en forme d'au moins une partie d'un demi-ellipsoïde de révolution et comportant une première surface plane (108) sensiblement en forme de disque et disposée contre une surface plane (104) de la première portion (102),
et dans lequel chaque particule (100) est telle que :
- la surface plane (104) de la première portion (102) et la première surface plane (108) de la deuxième portion (106) ont des dimensions similaires,
- une dimension de la deuxième portion (106), qui est perpendiculaire à la première surface plane (108) de la deuxième portion (106), est différente d'une dimension de la première portion (102) qui est perpendiculaire à la première surface plane (108) de la deuxième portion (106),
- la région de sortie (112) est formée par une partie de la première portion (102) opposée à la surface plane (104) de la première portion (102).
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel chaque particule
(100) est telle que :
- la première portion (102) est sensiblement en forme de demi-sphère,
- la deuxième portion (106) est sensiblement en forme d'un demi- ellipsoïde de révolution aplati, - la région d'entrée (110) est formée par une partie de la deuxième portion (106) opposée à la première surface plane (108) de la deuxième portion (106).
3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel :
- chaque particule (100) est telle que la deuxième portion (106) est sensiblement en forme d'un demi-ellipsoïde de révolution tronqué comportant une deuxième surface plane (114), opposée à la première surface plane (108) de la deuxième portion (106), de dimensions inférieures à celles de la première surface plane (108) de la deuxième portion (106) et qui est sensiblement en forme de disque,
- chaque particule (100) comporte en outre une troisième portion
(116) sensiblement en forme de demi-ellipsoïde de révolution, dont une première surface plane (118) est disposée contre la deuxième surface plane (114) de la deuxième portion (106) et a des dimensions similaires à celles de la deuxième surface plane (114) de la deuxième portion (106),
- chaque particule (100) est telle que la région d'entrée (110) est formée par une partie de la troisième portion (116) opposée à la première surface plane (118) de la troisième portion (116).
4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel :
- chaque particule (100) est telle que la deuxième portion (106) est sensiblement en forme d'un demi-ellipsoïde de révolution tronqué comportant une deuxième surface plane (114), opposée à la première surface plane (108) de la deuxième portion (106), de dimensions inférieures à celles de la première surface plane (108) de la deuxième portion (106) et qui est sensiblement en forme de disque,
- chaque particule (100) comporte en outre une troisième portion
(116) sensiblement en forme de demi-ellipsoïde de révolution tronqué comportant une première surface plane (118) sensiblement en forme de disque, de dimensions similaires à celles de la deuxième surface plane (114) de la deuxième portion (106) et qui est disposée contre la deuxième surface plane (114) de la deuxième portion (106), et comportant une deuxième surface plane (120), opposée à la première surface plane (118) de la troisième portion (116), sensiblement en forme de disque et de dimensions inférieures à celles de la première surface plane (118) de la troisième portion (116),
- chaque particule (100) comporte en outre une quatrième portion (122) sensiblement en forme de demi-ellipsoïde de révolution dont une surface plane (124) est disposée contre la deuxième surface plane (120) de la troisième portion (116) et a des dimensions similaires à celles de la deuxième surface plane (120) de la troisième portion (116),
- chaque particule (100) est telle que la région d'entrée (110) est formée par une partie de la quatrième portion (122) opposée à la surface plane (124) de la quatrième portion (122).
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le matériau diélectrique est un oxyde et/ou un polymère et/ou un matériau hybride organique / inorganique.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la lumière illuminant les régions d'entrée (110) des particules (100) est produite par un dispositif laser.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les particules (100) sont disposées les unes à côté des autres en quinconce sur plusieurs lignes et plusieurs colonnes, et/ou disposées en contact les unes à côté des autres.
8. Procédé de texturation d'une surface de matériau, comportant la mise en œuvre d'un procédé de génération de nanojets photoniques selon l'une des revendications précédentes, et dans lequel les particules (100) sont disposées en monocouche sur la surface de matériau avant l'illumination des particules (100).
9. Procédé de texturation selon la revendication 8, dans lequel l'illumination des particules (100) est réalisée avec une lumière de type laser telle que les nanojets photoniques gravent le matériau de la surface par ablation.
10. Procédé de texturation selon la revendication 8, dans lequel l'illumination des particules (100) est réalisée avec une lumière de type laser telle que les nanojets photoniques réalisent une fusion localisée des particules (100) avec le matériau de la surface.
11. Procédé de photoréticulation d'une surface de matériau, comportant la mise en œuvre d'un procédé de génération de nanojets photoniques selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel les particules (100) sont disposées en monocouche sur la surface de matériau avant l'illumination des particules (100), et dans lequel l'illumination des particules (100) est réalisée avec une lumière UV cohérente ou incohérente.
12. Procédé de photoréticulation selon la revendication 11, dans lequel le matériau de la surface est un matériau photosensible, le procédé de photoréticulation comportant en outre, après la mise en œuvre du procédé de génération des nanojets photoniques, une étape de développement du matériau photosensible.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115058322A (zh) * 2022-06-21 2022-09-16 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 单分子荧光激发装置及由其构成的基因测序芯片
RU2849020C1 (ru) * 2025-07-01 2025-10-22 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" Способ формирования 2D фотонной дифракционной решетки на основе фотонной струи

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHENG-YANG LIU: "Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles", PHYSICA E: LOW-DIMENSIONAL SYSTEMS AND NANOSTRUCTURES ELSEVIER B.V. NETHERLANDS, vol. 64, 5 July 2014 (2014-07-05), pages 23 - 28, XP002753372, ISSN: 1386-9477 *
JALALI T ET AL: "Highly confined photonic nanojet from elliptical particles", JOURNAL OF MODERN OPTICS TAYLOR & FRANCIS UK, vol. 61, no. 13, 2014, pages 1069 - 1076, XP002753373, ISSN: 0950-0340 *
JIAN YE ET AL: "Preparation of non-spherical particles by shell-shield etching for near-field nanopatterning", NANOTECHNOLOGY, IOP, BRISTOL, GB, vol. 25, no. 27, 24 June 2014 (2014-06-24), pages 275303, XP020266879, ISSN: 0957-4484, [retrieved on 20140624], DOI: 10.1088/0957-4484/25/27/275303 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115058322A (zh) * 2022-06-21 2022-09-16 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 单分子荧光激发装置及由其构成的基因测序芯片
RU2849020C1 (ru) * 2025-07-01 2025-10-22 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" Способ формирования 2D фотонной дифракционной решетки на основе фотонной струи

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