Les films continus nanocristallins de polysilicium fortement dopé manifestent un comportement plasmonique original, différent de celui des couches métalliques traditionnelles. Ces matériaux supportent naturellement des résonances plasmoniques de surface localisées, ce qui ouvre la voie à la création de couches ultra-minces offrant une interaction lumière-matière accrue, applicables sur de grandes surfaces et sans étape de nanostructuration.
La plasmonique, qui utilise les oscillations collectives des électrons libres dans des nanostructures métalliques ou semi-conductrices dopées, permet de manipuler la lumière à une échelle sub-longueur d’onde. Bien que les avancées en nanofabrication aient permis le développement de métasurfaces, leur déploiement à grande échelle reste freiné par des défis de fabrication industrielle et d'intégration.
Une étude publiée dans Nano Letters par des chercheurs du CEMES-CNRS, en collaboration avec le CEA-LETI, révèle une approche alternative. Des résonances plasmoniques dans l'infrarouge moyen apparaissent spontanément dans des couches de polysilicium hyperdopé au phosphore, sans nanostructuration artificielle. Ces couches, composées de grains nanométriques de 5 à 50 nm, présentent des propriétés optiques remarquables qui redéfinissent la conception des matériaux plasmoniques.
Grâce à des techniques avancées de microscopie électronique, spectroscopie infrarouge et modélisation électrodynamique, les scientifiques ont démontré que ces réponses plasmoniques proviennent de la formation naturelle de contrastes métal–diélectrique aux joints de grains. Ces interfaces auto-organisées agissent comme des nanostructures plasmoniques supportant des résonances de surface localisées.
Ces découvertes positionnent le nano-polysilicium comme une plateforme prometteuse pour le développement de matériaux plasmoniques infrarouges, durables et économiques. Elles s'affranchissent des étapes complexes de nanofabrication, ouvrant des perspectives pour de nouvelles applications, notamment dans la gestion thermique des dispositifs photovoltaïques.
Ces travaux ont été soutenus par l'Agence nationale de la recherche (ANR) dans le cadre du projet DIAAPASON (ANR-24-CE09-4555) et par le projet Tremplin PLASMONIX du CNRS-Physique.
