Surface Coupled Phononic Resonators – PhoRest

Le projet Phorest associe des technologies traditionnelles de la micro-acoustique (transducteurs à peignes interdigités) et de la micro-mécanique (micro-pîliers) dans l'objectif de réaliser des dispositifs permettant de contrôler l'énergie acoustique à l'échelle du micromètre. Les travaux menées dans le cadre de ce projet reposent sur trois outils majeurs:
- la simulation par éléments finis, mettant en jeu anisotropie, piézoélectricité et substrats semi-infinis dans un modèle tri-dimensionnel ;
- les technologies de dépôt induit par faisceau d'ions, qui offrent une très grande flexibilité de forme avec une résolution à l'échelle de quelques nanomètres si nécessaire ;
- des méthodes optiques de caractérisation par interférométrie, permettant notamment de remonter à des cartographies complètes de la distribution de l'énergie élastique.

Deux résultats majeurs ont été obtenus à ce stade du projet. Nous sommes en premier lieu parvenus à démontrer qu'il était possible de coupler, confiner et de potentiellement stocker efficacement l'énergie élastique se propageant sur la surface d'un substrat monocristallin dans un résonateur mécanique largement sub-longueur d'onde, numériquement comme expérimentalement. Des amplitudes de vibrations hors plan de l'ordre de 10 à 15 nm (contre 1 à 2 nm à la surface du substrat) ont pu être mesurées. Nous avons par ailleurs ou montrer qu'il était possible de contrôler la localisation de l'énergie acoustique sur un seul et même substrat en adressant fréquentiellement des piliers présentant des caractéristiques géométriques distinctes, une réalisation rendue possible par la méthode de fabrication utilisée.
- la possibilité de réaliser un système de démultiplexage en jouant sur les dimensions des piliers. La réalisation relativement aisée d'un tel dispositif est rendue possible par le choix de la technologie employée pour la fabriquer des résonateurs mécaniques. La croissance assistée par faisceau d'ions permet de fabriquer individuellement chaque résonateur et donc d'en contrôler indépendamment les paramètres géométriques.

Ces résultats ont été obtenus au moyen de résonateurs présentant des coefficients de qualité assez faibles, ce qui laisse encore des perspectives d'amélioration. Une augmentation du facteur de qualité pourra être obtenue à la fois en jouant sur la géométrie des résonateurs (nous nous sommes pour l'instant contentés de travailler sur de simples cylindres à faible rapport d'aspect) ou en optant pour un matériau moins dissipatif. L'étape suivante consiste bien évidemment à se pencher sur une étude des mécanismes de couplage entre résonateurs.

-

Le projet PhoRest a pour ambition de concevoir des systèmes complexes de résonateurs nanophononiques couplés par la surface capables d'assurer un contrôle accru de la propagation des ondes élastiques. Nous étudierons le comportement collectif de ces résonateurs, notamment dans le contexte de chaînes phononiques permettant de guider et de transporter l'énergie élastique avec une flexibilité encore inégalée, et leur comportement individuel, dans l'optique d'obtenir des systèmes susceptibles de donner lieu à des phénomènes d'interactions paramétriques à trois ondes.

Une première étape consistera à étudier les mécanismes de couplages par ondes évanescentes entre résonateurs adjacents. Ces expériences permettront de démontrer la possibilité d'obtenir un guidage des ondes élastiques sur des structures présentant des dimensions latérales de l'ordre de quelques micromètres, un résultat se situant déjà à l'état de l'art international. Nous chercherons ensuite à mettre en place des fonctions plus complexes de traitement acoustique du signal en montrant la possibilité de réaliser du multiplexage de signaux acoustiques. Ces expériences seront transposées sur des résonateurs métalliques présentant des dimensions à l'échelle de la centaine de nanomètres ouvrant ainsi des perspectives à plus long terme pour une interaction avec les plasmons de surface.

PhoRest empruntera ensuite une perspective plus ambitieuse : la seconde partie du projet sera dédiée à la mise en place d'un système à trois niveaux dans le but d'obtenir un laser à phonons pompé par voie électro-mécanique. Cette étape nécessitera une étude des propriétés non-linéaires des résonateurs. Les connaissances acquises au cours de la première partie du projet nous permettrons de concevoir des résonateurs présentant des fréquences propres et des facteurs de qualité appropriés à l'observation d'interactions paramétriques à trois phonons tout en continaunt à assurer un confinement très fort de l'énergie élastique générée.

Les résonateurs seront fabriqués soit par électroformage de métal, soit par structuration 3D via dépôt induit par faisceau d'ions focalisés et conçus pour présenter des fréquences de résonance s'échelonnant de quelques MHz au GHz. Ils seront réalisés sur un substrat piézoélectrique intégrant des sources à ondes élastiques de surface. Les dimensions mises en jeu nous conduiront à développer des méthodes de mesures spécifiques qui constitueront la base d'une véritable plateforme de caractérisation de ces résonateurs naonophoniques et de leur comportement dans des systèmes complexes. Nous emploierons des méthodes optiques de type interférométrie et spectroscopie pompe-sonde. Nous exploiterons la piézoélectricité du substrat pour caractériser par microscopie électronique à balayage la répartition du champ de déplacement élastique par détection du potentiel électrique qui l'accompagne. Cette méthode peu conventionnelle devrait nous permettre d'obtenir une résolution latérale inégalée.

PhoRest s'appuiera sur le développement d'outils théoriques et numériques reposant sur la mécanique classique linéaire et non-linéaire, sur des théories des modes couplées et sur une vision Hamiltonienne du problème. La compréhension et la formalisation des pertes structurelles et par la surface supportant le résonateurs (pertes de radiation vers le volume en particulier) constituera une étape critique du projet.

PhoRest vise donc à contribuer au développement d'une approche conceptuelle en rupture pour la mise en place de fonctions avancées du traitement acoustique du signal pour les Technologies de l'Information et de la Communication. Les deux objectifs de cet ambitieux projet sont très fortement liés. Si la réalisation d'un laser à phonon semble a priori des plus audacieuses, les travaux menés au cours de cette seconde étape nous permettront de coupler une approche phononique et une approche nanomécanique des phénomènes de résonances locales jusqu'à présent dissociées.