Disordered metasurfaces for absorption at infrared wavelengths
Métasurfaces désordonnées pour l'absorption aux longueurs d'onde infrarouges
Résumé
The use of disorder in the position of meta-atoms allows for the improvement of the electromagnetic radiation properties of metasurfaces compared to periodic configurations. On the other hand, emerging self-assembly techniques can be leveraged to reduce the time and cost of their fabrication. This thesis concerns the study of positional disorder within an absorbing metasurface in the near-infrared domain. It relies on the arrangement of metal-insulator-metal resonators known to enhance the localization of the electromagnetic field through the coupling of localized plasmons. Disorder is introduced by displacing the meta-atoms from an initial periodic configuration by a random amount of tunable amplitude. The absorption of metasurfaces was calculated using the finite element numerical method through CST Microwave Studio® simulation software. Simulation results show that the amount of disorder can be adjusted based on the resonator density to optimize the absorption level. In particular, highly dense and very disordered metasurfaces exhibit sufficiently high absorption levels over a wide frequency band. These properties cannot be achieved by periodic resonator configurations. These observations were experimentally tested on samples manufactured by electron lithography and characterized by ellipsometry and processing of images obtained by scanning microscopy in the cleanroom environment of the Institute of Electronics, Microelectronics, and Nanotechnology (IEMN). Through measurements in dark field and phase camera conducted in collaboration with the Carnot Institute of Burgundy, we were able to qualitatively measure the absorption properties of metasurfaces as a function of disorder quantity and meta-atom density. Thus, we experimentally demonstrated the advantage of working with dense and disordered metasurfaces, confirming the numerical results.
L'emploi de désordre dans la position des méta-atomes permet d'améliorer les propriétés de rayonnement électromagnétique des métasurfaces par rapport aux configurations périodiques. D'autre part, les techniques émergentes d'auto-assemblage peuvent être mises à profit pour réduire le temps et le coût de leur fabrication. Cette thèse concerne l'étude du désordre de position au sein d'une métasurface absorbante, dans le domaine du proche infrarouge. Elle repose sur l'agencement de résonateurs métal-isolant-métal connus pour favoriser la localisation du champ électromagnétique par couplage de plasmons localisés. Le désordre est introduit par déplacement des méta-atomes à partir d'une configuration périodique initiale, par une quantité aléatoire d'amplitude contrôlable. L'absorption des métasurfaces a été calculée par la méthode numérique des éléments finis grâce au logiciel de simulation CST Microwave Studio®. Les résultats de simulation montrent que la quantité de désordre peut être ajustée en fonction de la densité de résonateurs pour optimiser le niveau d'absorption. En particulier, les métasurfaces de forte densité et très désordonnées présentent des niveaux d'absorption assez élevés sur une large bande de fréquence. Ces propriétés ne peuvent pas être obtenues par les configurations périodiques de résonateurs. Ces observations ont été testées expérimentalement sur des échantillons fabriqués par lithographie électronique et caractérisés par ellipsométrie et par traitement des images obtenues par microscopie à balayage, dans l'environnement de salle blanche de l'Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologies (IEMN). Par des mesures en champ sombre et par caméra de phase réalisées dans le cadre d'une collaboration avec l'Institut Carnot de Bourgogne, nous avons pu mesurer qualitativement les propriétés d'absorption des métasurfaces en fonction de la quantité de désordre et de la densité de méta-atomes. Nous avons ainsi mis en évidence expérimentalement l'intérêt de travailler avec des métasurfaces denses et désordonnées, ce qui confirme les résultats numériques.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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