[Article] Nanocristaux de Si fortement dopés pour la plasmonique infrarouge
Les nanocristaux de Si fortement dopés ont suscité un intérêt croissant en raison notamment de leurs applications potentielles dans le domaine de la nanophotonique. Dans ce travail, nous étudions les propriétés plasmoniques de nanocristaux de Si fortement dopés avec du phosphore et insérés dans une matrice de silice. Les matériaux sont obtenus par évaporation sous ultravide de multicouches SiO/SiO2 dopées avec du phosphore à température ambiante suivi d’un recuit à haute température. Pour des teneurs en phosphore comprises entre 0.7 at.% et 1.9 at.%, les caractérisations structurales montrent que les atomes de P sont localisés dans les nanocristaux de Si avec des concentrations pouvant atteindre localement 10 at.%, bien au-delà de la solubilité limite d’équilibre dans le Si massif. Pour des teneurs en phosphore supérieures à 4 at.%, la formation de nanoparticules de SiP est observée. Les mesures d’absorption infrarouge ont permis de mettre en évidence une résonance de plasmon de surface localisée dans la gamme spectrale 3-6 μm. Une structure cœur-coquille a été utilisée pour modéliser les propriétés des nanocristaux de Si. En utilisant la théorie de Mie et le modèle de Drude, nous avons pu extraire les densités ainsi que les mobilités des porteurs de charge libres qui peuvent atteindre 2.3 x 1020cm-3 et 27 cm2.V-1.s-1. Un taux d’activation des dopants de l’ordre de 8 % est obtenu.
Auteurs
Alix Valdenaire, Alaa Eldin Giba, Mathieu Stoffel, Xavier Devaux, Loic Foussat, Jean-Marie Poumirol, Caroline Bonafos, Sonia Guehairia, Rémi Demoulin, Etienne Talbot, Michel Vergnat, Hervé Rinnert
Références
ACS Applied Nano Materials 2023, 6, 3312-3320
DOI