détection d'explosifs et drogues par absorption infrarouge exaltée par des matrices de nanorésonateurs – DARTAGNAN

La méthodologie du projet reposait sur une organisation en trois lots.

• Le premier est dédié à la conception et fabrication des nanorésonateurs, à leur compréhension physique et à la modélisation des résonateurs en présence de molécules.

• Le deuxième est centré sur les résultats expérimentaux sur les molécules et les résonateurs individuellement et ensemble, avec une sous-tâche importante dédiée à l’étude de résonateurs uniques remplies de molécules.

• Enfin le troisième lot vise le développement d’un capteur de molécules.

Le projet DARTAGNAN a mené à la publication de deux articles ayant tous les deux un fort impact.

Le premier publié dans Nature Communications ( doi.org/10.1038/s41467-023-40511-7 ) rebat les cartes des approches sur le SEIRA. Alors que les progrès récents se faisaient au prix d'efforts technologiques importants qui atteignaient quasiment le plancher de la structuration (quelques nanomètres), on a démontré avec des structurations d'une centaine de nanomètres, des gains important à la fois sur la sensibilité et la largeur de bande spectrale grâce au concept de résonateur en surcouplage. On a également pu démontrer la capacité de suivre la présence d'une espèce volatile (le DNT) et montrer que la réponse donnait une information quantitative sur la quantité de matière présente au niveau du résonateur en développant d'un côté un modèle linéarisé et en le confrontant aux résultats expérimentaux.

Le second résultat majeur a été la publication dans Nano Letters d'un article ayant fait la couverture ( doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c02769 ) sur la démonstration de la photodétection proche infrarouge dans des quantum dots exaltée par des nanorésonateurs de Helmholtz qui permettent un gain d'un ordre de grandeur sur la photoréponse tout en améliorant le temps de réponse.

En plus de ces résultats publiés, le projet a également conduit à plusieurs avancées :

- une démonstration préliminaire de l'exaltation d'absorption de surface dans le domaine térahertz (ainsi que la première démonstration expérimentale du résonateur de Helmholtz entre 1 et 3 THz).

- la démonstration d'une source thermique nanostructurée utilisant une cavité Fabry-Perot et un miroir de sortie nanotexturé qui permet d'atteindre des facteurs de qualité entre 30 et 60 et d'ajuster la longueur d'onde d'émission pour un empilement de couches donné avec les paramètres géométriques latéraux.

- La possibilité de remonter aux propriétés optiques (modèle de permittivité complexe) de couches fines de matériaux (quelques dizaines de nanomètres), en utilisant les résonateurs de Helmholtz surcouplés.

Les perspectives du projet DARTAGNAN portent sur plusieurs axes de travaux. Le premier est l'amélioration du concept du nanorésonateur de Helmholtz, qui, en envisageant des variantes plus complexes technologiquement, pourrait mener à des gains importants sur la sensibilité de détection et la largeur de bande spectrale. Une autre perspective porte sur l'adaptation de l'utilisation de résonateurs sur-couplés soit à d'autres résonateurs, soit à d'autres interactions lumière-matière.

Une troisième perspective qui fait l'objet d'un projet financé par l'axe PHOM de la graduate school de Physique de l'université Paris-Saclay porte sur l'adaptation de ces résultats au domaine térahertz.

Enfin, la dernière perspective porte sur la poursuite du développement du capteur pour la détection ou l'identification de molécules. Elle devra se baser sur un scénario précis (type de molécules, quelle quantité souhaite-t-on détecter, quelle est la manière de prélever, quelles sont les possibles molécules en concurrence pour la détection, quelles sont les contraintes de portabilité/d'autonomie énergétique/de coût.)

La spectroscopie est une technique largement utilisée pour identifier les molécules grâce à leurs longueurs d'onde d'absorption, qui, chacune associée à une largeur de raie donnée, constituent une empreinte unique et reconnaissable des molécules. Le signal d'absorption peut être amélioré si les molécules sont placées près d'une surface métallique ou d'une nanostructure résonante qui augmente localement le champ électrique d'éclairage, une technique connue sous le nom de Surface Enhanced InfraRed Absorption (SEIRA).

Toutefois, il existe encore plusieurs inconvénients qui entravent son utilisation pratique :
1) l'augmentation de l'absorption infrarouge reste encore faible.
2) L'amélioration est obtenue sur une bande passante limitée et ne cible pas toutes les bandes d'absorption du résonateur.
3) Ces démonstrations reposent sur un spectromètre infrarouge à la fois encombrant et coûteux.

Le projet Dartagnan vise à relever ces défis en introduisant d'abord l'utilisation d'un nanorésonateur optique, basé sur une géométrie simplifiée du résonateur optique de Helmholtz. Il est simple à concevoir, et lorsque les molécules ciblées sont prises en compte dans son optimisation, leur absorption infrarouge caractéristique est améliorée de plusieurs ordres de grandeur sur une large gamme spectrale. Ensuite, un ensemble de résonateurs de géométries diverses peut être utilisé comme système matriciel fonctionnant en émission thermique ou en transmission avec un éclairage filtré dont la signature capturée par un imageur IR à faible coût permet l'identification des molécules par comparaison avec une base de données. Ce système matriciel joue le rôle d'un spectromètre simplifié, bien que ses performances soient dégradées, il permettra d'obtenir un capteur autonome et peu coûteux.

Le projet Dartagnan est divisé en deux phases. Tout d'abord, la démonstration du signal SEIRA de haute sensibilité dans la gamme 5-12 µm sur diverses molécules intervenant soit dans la dégradation des explosifs et des stupéfiants, soit comme réactifs dans leur fabrication. Dans la seconde partie du projet, l'objectif est de développer une preuve de concept de capteur optique capable d'identifier les molécules d'explosifs et de narcotiques et de les distinguer sélectivement les unes des autres, ainsi que de molécules tierces, grâce à leur signature infrarouge, et qui soit en même temps simple à mettre en œuvre et à déployer (coût, compacité, portabilité, consommation d'énergie). Les nanorésonateurs développés dans la première phase, couplés à un détecteur infrarouge matriciel, constitueront la partie principale du dispositif de détection qui fournira des informations spectrales sur un nombre limité de longueurs d'onde. Le capteur matriciel développé au cours du projet aura une sensibilité de l'ordre du picogramme, avec la capacité de distinguer plusieurs familles de molécules et avec un faible taux de fausses alertes.

Les critères de réussite du projet DARTAGNAN sont les suivants :
1) Démonstration expérimentale d'un résonateur de Helmholtz non polarisé en transmission (T>80% à la résonance).
2) Démonstration expérimentale d'une augmentation de l'absorptivité (signal SEIRA) supérieure à 0,8 sur un résonateur unique.
3) Détection sensible de moins de 10 picogrammes de molécules sur un seul résonateur.
4) Preuve de concept du capteur (TRL 4) avec une détection sensible de 1 nanogramme de molécules, et une détection sélective de 10 molécules différentes.

Le développement de ce capteur, capable d'identifier des molécules chimiques grâce à leur signature infrarouge, a de nombreuses applications qui vont bien au-delà des applications aux menaces NRBC-E et de la lutte contre la criminalité : biologie, détection des intoxications alimentaires, médecine, surveillance de la pollution. À terme, le projet ouvrira la voie à un transfert de technologie du capteur optique développé.