Structuration et dispositifs

De la nano-fabrication à la nanophotonique

PI : Maitre de conférence (HDR) Ngoc Diep LAI

Nous avons développé une technique de fabrication originale qui consiste à utiliser un faisceau laser continu à faible puissance pour créer des motifs à l'échelle sub-micrométrique à trois-dimension (3D). Jusqu'à ce jour, cela semble impossible avec la méthode d'absorption à un photon. Cependant, nous avons démontré théoriquement et expérimentalement qu'en utilisant un matériau qui présente une absorption linéaire ultra-faible à la longueur d'onde du laser utilisé, on peut adresser optiquement un objet en 3D (imagerie et fabrication). La technique de fabrication utilisant l'absorption ultra-faible, dite LOPA-DLW (Low one-photon absorption (LOPA) based direct laser writing (DLW)), permet d'obtenir des résultats similaires à ceux obtenus par la méthode d'absorption à deux photons. La figure 1(a) représente un exemple de structures fabriquées. De plus, nous avons appliqué cette même technique pour réaliser d’autres structures magnétiques 2D et 3D et plasmoniques 3D à la demande (figure 1, c,d). Ces démonstrations ouvrent de nombreuses applications dans différents domaines, de la physique à la chimie et à la biologie.
Très récemment, nous avons démontré que le LOPA-DLW permettrait d'incorporer à la demande une seule nanoparticule (or, quantum dot, KTP) dans une structure photonique, comme le montre la figure 1(b). D'une manière générale, cette technique pourra être utilisée pour réaliser des structures photoniques 2D et 3D submicrométriques contenant une seule nanoparticule de n'importe quelle nature, qui pourront être très intéressantes pour de nombreuses applications (optique non-linéaire, plasmonique, source de photon unique, etc.).

NanoFabrication Illustration
Figure1: Quelques exemples de submicrostructures réalisées par la méthode d'écriture directe par laser par absorption ultra-faible à un-photon (LOPA). (a) Image MEB d'un cristal photonique, type woodpile. (b) Structure (pillier et multi-anneaux) en SU8 contenant un seul quantum dot au centre. (c) Image MEB des microstructures réalisées par un mélange des nanoparticules magnétiques dans SU8. (d) Image obtenue par un microscope optique des structures plasmoniques (lettre NANO et le billet d’un cent de dollar américain) réalisées par le LOPA sur un film mince d’or.
    1. T. H. Au, J. Audibert, D. T. Trinh, D. B. Do, S. Buil, X. Quélin, J.-P. Hermier, and N. D. Lai, “Controllable movement of single-photon source in multifunctional magneto- photonic structures,” Scientific Reports 10, 4843 (2020).
    2. T. H. Au, S. Buil, X. Quélin, J.-P. Hermier, and N. D. Lai, “High Directional Radiation of Single Photon Emission in a Dielectric Antenna,” ACS Photonics 6, 3024–3031 (2019).
    3. D. T. T. Nguyen and N. D. Lai, “Deterministic Insertion of KTP Nanoparticles into Polymeric Structures for Efficient Second-Harmonic Generation,” Crystals 9, 365 (2019).
    4. F. Mao, A. Davis, Q. C. Tong, M. H. Luong, C. T. Nguyen, I. Ledoux-Rak, and N. D. Lai, “Direct Laser Writing of Gold Nanostructures: Application to Data Storage and Color Nanoprinting,” Plasmonics 13, 2285–2291 (2018).
    5. Q. C. Tong, M. H. Luong, J. Remmel, M. T. Do, D. T. T. Nguyen, and N. D. Lai, “Rapid direct laser writing of desired plasmonic nanostructures,” Opt. Lett. 42, 2382- 2385 (2017).
    6. T. H. Au, D. T. Trinh, Q. C. Tong, D. B. Do, D. P. Nguyen, M. H. Phan, and N. D. Lai, “Direct Laser Writing of Magneto-Photonic Sub-Microstructures for Prospective Appli- cations in Biomedical Engineering,” Nanomaterials 7, 105 (2017).
    7. Q. C. Tong, M. T. Do, M. H. Luong, B. Journet, I. Ledoux-Rak, and N. D. Lai, “Direct laser writing of polymeric nanostructures via optically induced local thermal effect,” Appl. Phys. Lett. 108, 183104 (2016).
    8. M. T. Do, D. T. T. Nguyen, H. M. Ngo, I. Ledoux-Rak, and N. D. Lai, “Controlled cou- pling of a single nanoparticle in polymeric microstructure by low one- photon absorption– based direct laser writing technique,” Nanotechnology 26, 105301(2015).
    9. M. T. Do, T. T. N. Nguyen, Q. Li, H. Benisty, I. Ledoux-Rak, and N. D. Lai, “Submicro- meter 3D structures fabrication enabled by one-photon absorption direct laser writing,” Opt. Express 21, 20964-20973 (2013).
 

Composants photoniques à base de polymères pour les applications biomédicales et environnementales

PI: C.T. Nguyen (PhD), participants: I. Ledoux-Rak (PR), N.D. Lai (MdC-HDR)

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 L’accroissement de la demande en protection de l’environnement et en la santé publique exige une détection rapide et spécifique d’éléments toxiques dans le domaine environnemental et d’agents pathogènes dans le domaine biomédical, afin d’apporter des solutions adaptées et optimisées. Dans ce contexte, nous avons conçu et réalisé des capteurs opto-fluidiques en polymère, utilisant des micro-résonateurs en couplage vertical, intégrés avec des canaux micro-fluidiques. Ces capteurs présentent des performances remarquables en termes de détection limite, de spécificité et de rapidité. Les dispositifs opto-fluidiques en polymère sont adaptés aux instruments d’analyse portables ou transportables pour les mesures in-situ dans les études environnementales ou pour les applications biomédicales dans les laboratoires d’analyse. En fabriquant différents micro-résonateurs sur le même substrat, chacun d’eux étant fonctionnalisé par un ligand de reconnaissance spécifique à une molécule cible, il est possible de détecter simultanément plusieurs molécules cibles dans une même solution. Le dispositif optofluidique peut être associé à un capteur électrochimique, sur une plateforme micro-fluidique commune, afin de constituer un capteur multi-modal, délivrant en parallèle des paramètres variés de mesure sur une même molécule cible. Cette thématique de recherche est pluridisciplinaire, concernant, outre la physique, les technologies de l’optique intégrée et de la micro-fluidique, la chimie, la biologie et l’instrumentation scientifique.