Structuration laser super-résolue pour applications multi-échelles – SURSTRUCTUR

La nanostructuration des matériaux avec une précision meilleure que la limite de diffraction présente actuellement un grand intérêt scientifique. Plusieurs méthodes sont actuellement utilisées, comme par exemple la lithographie par faisceau d'électrons et la nanoimpression. Ces techniques ont plusieurs limitations, car elles nécessitent des installations expérimentales à coût élevé et des procédures expérimentales complexes. De plus, dans le cas de la lithographie par faisceau d’électrons, il est très difficile et il prend beaucoup de temps de réaliser une nanostructuration à grande échelle (plusieurs jours sont nécessaires pour obtenir une fabrication sur une surface de quelques cm2).
La technique de fabrication laser directe est un outil puissant dans cette direction, car elle peut fournir une fabrication versatile à faible coût, de haute qualité et de grande surface. Cependant, des résolutions élevées sont difficiles à atteindre en raison de la limite de diffraction. Une façon de dépasser cette limitation, consiste à utiliser des impulsions laser fs, permettant d’obtenir des effets multi-photons, comme par exemple dans le cas de la polymérisation à deux photons et de l'ablation multiphotonique. Ces approches peuvent fournir des résolutions au-delà de la limite de diffraction, en général de l’ordre de 200 nm. Le principal problème est qu’il n’existe que peu de résines photosensibles, qui peuvent être utilisées et qu’il est dans tous les cas nécessaire de procéder au développement des échantillons, ce qui complique la procédure expérimentale. De plus, la résolution dépend fortement des matériaux utilisés. Ces techniques ne peuvent donc pas être généralisées à tout type de fabrication.
Une percée sur ce domaine scientifique, sera réalisée en dépassant la limite de diffraction avec une diminution directe de la taille du faisceau avant la fabrication. Cela permettra de rendre la résolution beaucoup moins dépendante de l'interaction laser-matière au cours de la fabrication. En ce sens, il sera possible de l'appliquer à plusieurs types de matériaux (organiques, inorganiques, diélectriques, métalliques, etc.).
Dans ce projet, nous proposons de faire évoluer la technique de fabrication laser directe, afin d’atteindre des résolutions inférieures à 100 nm, en utilisant un masque de super-résolution. Cette technique peut notamment être appliquée dans les cas où la nanofabrication 2D de couches minces est requise. Elle repose sur un masque ayant des propriétés optiques non linéaires, capables de réduire la taille du faisceau d'environ 75%. Le masque sera d’une couche mince (d’épaisseur égale à environ 20 nm) présentant une réfraction non linéaire et/ou une absorption saturable significative qui conduira à la super-résolution.
En utilisant un système laser à fibre industriel, compact, nous montrerons que cette diminution permet d’inscrire des motifs avec une résolution de 50 nm au cours de la fabrication. Cette technique à une étape, purement optique, offrira la possibilité de nanostructurer de grandes surfaces (plusieurs cm2) avec des résolutions inférieures à la longueur d’onde, en moins de 3 heures. La méthode de nanofabrication proposée ne dépendant pas (ou peu) du matériau à structurer, un grand nombre de domaines scientifiques pourront être adressés, comme par exemple le guidage de la lumière, la conversion de fréquences, la fabrication de métasurfaces, le stockage optique de données ou les nanofluidiques.
Afin de démontrer l’importance de cette approche expérimentale en photonique, des filtres optiques pour le visible et l’infrarouge seront conçus et fabriqués. Deux approches différentes seront utilisées, qui seront basées sur des nanostructures plasmoniques. Ces nanostructures seront obtenues soit par ablation locale de couches d’aluminium, soit par processus de photodissolution de multicouches Ag/As2S3. Les deux approches de nanostructuration permettront un contrôle précis des interfaces métalliques/diélectriques fabriquées.