Conception d'un capteur hybride multifonction à base de graphène et de cristal photonique 1D

 Le stage proposé s’inscrit dans le cadre d’une collaboration émergente entre le laboratoire L2N de l'université de Technologie de Troyes et le laboratoire ESYCOM de l’université de Gustave Eiffel.

L2n ( L umière N anomatériaux N anotechnologie) est un pôle d'expertise sur le contrôle et l'exploitation de l'interaction lumière-matière à l'échelle du nanomètre (c'est-à-dire à une échelle beaucoup plus petite que la longueur d'onde du champ électromagnétique impliqué) et vise le développement de la nano-optique, qui répond à un certain nombre de défis technologiques, scientifiques et socio-économiques. Le domaine de recherche multidisciplinaire autour de la plasmonique, l'optique intégrée, l'optoélectronique, les nouvelles techniques de spectroscopies et microscopies, la modélisation multiphysique, les nanocapteurs multifonctionnels et la nanobiophotonique.

Le laboratoire ESYCOM ( É lectronique, SY stèmes de CO mmunications et M icrosystèmes) s’inscrit dans les domaines de l’ingénierie des systèmes de communication, des capteurs et des microsystèmes pour la ville, l’environnement et la personne. Les thèmes abordés sont plus spécifiquement : - les antennes et propagation en milieux complexes, les composants photoniques micro-ondes - les microsystèmes pour l'analyse de l'environnement et la dépollution, pour la santé et l'interface avec le vivant. - les micro-dispositifs de récupération d'énergie ambiante mécanique, thermique ou électromagnétique. 

Les plasmons de Tamm ( PT ), un nouveau type d’ondes de surface optiques se propageant à l’interface entre un métal et un cristal photonique unidimensionnel ( CP1D ), ont récemment fait l’objet de nombreuses recherches à cause de la sensibilité au changement de l’indice de réfraction de l'environnement. Contrairement à une résonance plasmonique de surface (PS) , une résonance (PT) peut être excitée sous n’importe quel angle d’incidence et pour les deux polarisations, sans nécessiter de système de couplage, ce qui peut représenter un avantage pour les applications de détection [1-3] . Par ailleurs, dans les dernières années le graphène [4] s’est imposé comme un matériau prometteur pour réaliser des capteurs extrêmement performants en utilisant ses différentes propriétés (électronique, optique, et mécanique) ainsi que la sensibilité de celles-ci à un champ électrique, magnétique, à une pression mécanique, etc.

L’objectif de ce stage est de proposer un capteur hybride combinant un mode Tamm avec un mode des résonances de type Fabry Perot. Ce système se compose d’un cristal photonique 1D mécaniquement flexible associé à une structure Au/Diélectrique/Graphène (voir figure). Ce dernier peut également être contrôlé électriquement en faisant varier son potentiel chimique [6] La sensibilité de détection est extrêmement liée aux paramètres du mode hybride résultant du couplage entre les différents modes se propageant dans la structure (plasmonique, Tamm, Fabry Perot), et peut être contrôlée de manière mécanique [5] ou électrique [6] .

Le stage comporte deux volets , une première partie de simulations numériques réalisées sous Lumerical/COMSOL ou sur Matlab en utilisant la méthode de la Matrice de Transfert. Une seconde partie dédiée aux techniques de fabrication de dispositifs photoniques en salle blanche de la plateforme Nano-Mat du laboratoire L2n ainsi que sa caractérisation. 

Références :

[1] S.-G. Huang, K.-P. Chen, S.-C. Jeng , Phase sensitive sensor on Tamm plasmon devices, Opt. Mater. Express 7 (2017) 1267–1273. https://doi.org/10.1364/OME.7.001267

[2] S. Kumar, M.K. Shukla, P.S. Maji, R. Das , Self-referenced refractive index sensing with hybrid-Tamm-plasmon-polariton modes in subwavelength analyte layers, J. Phys. D: Appl. Phys. 50 (2017) 375106. https://doi.org/1 0.1088/1361-6463/aa7fd7 [

3] M. Gryga, D. Ciprian, P. Hlubina, P. Pokorny, J. Sobota , Narrow Tamm resonances in one-dimensional photonic crystals employed in sensor applications, Optics & Laser Technology, 167, 2023, 109797. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2023.109797 

4] H. Frank et. al . Graphene Plasmonics: A Platform for Strong Light-Matter Interaction, Nano Lettres, 11 (8), pp 3370–3377, 2011. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl201771h [

5] Tao, W., Laible, F., Hmima, A . et al. Shape-altering flexible plasmonics of in-situ deformable nanorings. Nano Convergence 10 , 15 (2023). https://doi.org/10.1186/s40580-023-00358-6

[6] M. Ben Rhouma, M. Oueslati, B. Guizal , Surface plasmons on a doped graphene sheet with periodically modulated conductivity, Superlattices and Microstructures, 96, 2016, 212-219, https://doi.org/10.1016/j.spmi.2016.05.021 

Le candidat devra être inscrit en Master 2 (ou formation équivalente) en optique, photonique, plasmonique et matériaux, avec un intérêt marqué pour les nanotechnologies et procédés. Le candidat doit être motivé et enthousiaste pour le travail expérimental et numérique. Les qualités essentielles pour mener à bien cette recherche sont le sens de l'organisation, une autonomie rapide, une rigueur et la curiosité scientifique. 

Date de début de stage est flexible