Le rôle des anomalies de Rayleigh dans le processus de couplage des réseaux plasmoniques et le contrôle des propriétés d'émission des molécules organiques

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 3218 (2022) Citer cet article

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Nous rapportons l'étude de l'influence des réseaux métalliques périodiques sur les propriétés d'émission des émetteurs organiques. Au préalable, l'étude du processus de couplage entre nanoparticules à travers l'analyse des spectres d'extinction liés aux anomalies de Rayleigh indique le rôle crucial de ces dernières dans la définition de la nature des modes de réseau excités. Les résultats obtenus soulignent que les anomalies de Rayleigh peuvent être considérées comme un intermédiaire entre les réponses plasmoniques individuelles et photoniques collectives. Par la suite, les études expérimentales et numériques des modes de réseau et de leurs effets associés sur la durée de vie et la directivité d'émission des émetteurs proches indiquent que le réglage des paramètres géométriques du réseau offre la possibilité de sélectionner un processus de couplage particulier, depuis un effet localisé jusqu'à une réponse en champ lointain. En fonction de la force de couplage, l'émission peut être fortement modifiée en augmentant la densité d'états ou en fournissant des ordres diffractifs. Finalement, cette étude rapporte que les anomalies de Rayleigh jouent le rôle d'une source d'excitation qui pousse les nanoparticules à agir comme un ensemble d'objets diffractifs pour rendre l'émission hautement directive.

Depuis plusieurs années, une grande attention a été accordée aux nanoparticules métalliques (NP) couplées dans des réseaux unidimensionnels (1D) et bidimensionnels (2D)1,2. Plusieurs études ont été rapportées sur leurs propriétés de mode collectif3,4,5,6. En particulier, de nombreux travaux ont montré la possibilité d'un confinement à haute énergie et d'une amélioration du champ électrique à l'aide de réseaux plasmoniques7,8,9. Les modes excités sont sensibles à plusieurs paramètres, tels que la polarisation et l'angle de la lumière incidente, les paramètres géométriques du réseau et les indices de réfraction du milieu environnant. De plus, les interactions entre NPs peuvent avoir un impact important sur les performances des dispositifs optiques là où elles sont utilisées. Dans le cas particulier des sources lumineuses, ces interactions sont cruciales car les réseaux NP influencent considérablement les caractéristiques d'émission des émetteurs proches. En effet, en fonction de plusieurs paramètres de couplage, les effets plasmoniques10 peuvent renforcer ou éteindre l'émission de molécules actives. Les réseaux de nanoparticules présentent également des anomalies de Rayleigh11, associées à un phénomène de diffraction selon un angle rasant dans le plan de la structure. Ils apparaissent sur les spectres d'extinction sous forme de pics nets, et dépendent notamment de l'angle de l'onde incidente, de l'indice du milieu environnant et de la période du réseau11,12. Physiquement, elles sont dues à l'apparition ou à la disparition d'un ordre de diffraction, qui correspond à une modification d'un mode évanescent à un mode propagatif et inversement.

Il a été démontré que pendant de courtes périodes de réseau, lorsque le désaccord spectral entre la résonance plasmonique de surface localisée (LSPR) et les anomalies de Rayleigh (λRA) est important, le réseau ne présente qu'une caractéristique plasmonique localisée. Cependant, lorsque la constante de réseau est choisie comparable à λRA, les structures soutiennent ce que l'on appelle les résonances de réseau de surface (SLR), des modes mixtes partageant à la fois des propriétés plasmoniques (LSPR) et photoniques. Ces SLR sont des modes de vie longue, délocalisés sur plusieurs cellules du réseau. Ils apparaissent comme des résonances étroites avec des facteurs de qualité élevés indiquant les faibles pertes subies par ces états hybrides. La présence des anomalies de Rayleigh dans la structure semble être une condition nécessaire pour exciter les modes SLR. A ces longueurs d'onde spécifiques, les NP participent à des phénomènes de diffraction collective où l'énergie est distribuée dans le plan du réseau.

En fait, deux régimes ont été distingués14 : un régime purement plasmonique dans lequel l'intensité du mode est confiné près de la nanoparticule et un régime hybride, dans lequel le mode de surface se propage sur la structure résultant d'une diffusion cohérente de la lumière dans le réseau. Ces modes SLR excités ont été décrits comme des modes mixtes de vibrations localisées de plasmons combinées à des ondes rasantes diffractées15.

430\,{\text{nm}}\)./p> 430\,{\text{nm}})\), we observe that the resonance peak of the UB becomes thinner (FWHM \(= 20.4\,{\text{nm}}\)) with an SLR-like behavior whereas the peak of the LB becomes broader (FWHM \(= \,51\,{\text{nm}}\)) with an LSPR-like behavior./p> 430 nm./p> 430\,{\text{nm}})\), the initially LSPR mode penetrates the zone of the Rayleigh anomalies and an inverted trend is observed: the initial LSPR follows the dispersion of the Rayleigh anomalies in contrary to the peak of the SLR branch that exhibits a large resonance./p> 430 nm./p> 430\,{\text{nm}}\) the factor decreases to \(\sim 4\%\) at \(p = 455\,{\text{nm}}\)./p> \lambda /n_{d}\) ; with \(\lambda /n_{d} \sim 358nm\) corresponding to the excitation of \(\left( { + 1;0} \right)\) Rayleigh anomalies at \(\varphi_{d} = 0\) under a normal incidence \(\theta_{inc} = 0\)./p>