Nanostructuration à très forte résolution pour la fabrication de metasurfaces optiques – application à l’imagerie sans lentille

Description du sujet :

Les métamatériaux optiques sont des matériaux structurés artificiels, dans lesquels les résonances électroniques façonnent le flux de lumière. Malgré des recherches intensives ces 20 dernières années, des matériaux avec les propriétés optiques souhaitées restent inaccessible pour l’instant en raison des difficultés à fabriquer des structures tridimensionnelles à des échelles très inférieures à la longueur d’onde et en raison des pertes de propagation importantes due à l’utilisation de métaux avec des résonances plasmoniques. Les métasurfaces (2D) sont apparues au cours des 5 dernières années comme un moyen de surpasser ces pertes de propagation qui limitent les applications. Par ailleurs, ces surfaces peuvent éventuellement être réalisées avec des matériaux diélectriques, diminuant encore les pertes optiques résultant de l’utilisation de métaux plasmoniques. Des démonstrations remarquables (mais sur petites surfaces) ont montré la mise en forme d’un front d’onde, l’holographie et la focalisation de la lumière.  C’est cette dernière application qui nous intéresse. Dans ce cas, la focalisation est obtenue en faisant varier spatialement la densité des nanorésonateurs optiques.

Cependant, la fabrication de métasurfaces à grande échelle est aujourd’hui lente et couteuse car essentiellement basée sur la lithographie par faisceau d’électrons. L’auto-organisation de films minces de copolymères à blocs (BCP), combinée à la photolithographie pour le guidage, à de nouvelles technologies de gravure plasma plus sélectives et au dépôt de matériaux métalliques et/ou diélectriques constitue une alternative particulièrement attractive pour la fabrication de ce type de structures sur grandes surfaces. L’objectif de cette thèse est de démontrer la fabrication de métasurfaces optiques permettant la focalisation de la lumière en utilisant/développant ces technologies d’ores et déjà en grande partie maitrisées au LTM. En particulier, les différents points abordés seront :

• L’auto-organisation de polymères di-blocs lamellaires dans des tranchées et perpendiculairement au substrat. De tels polymères sont disponibles dans le commerce ou auprès de collaborateurs actuels du LTM (Arkema, LCPO). Par ailleurs, le LTM a déjà démontré à plusieurs reprises sa maitrise de l’organisation de polymères à blocs en couche minces dans plusieurs procédés d’intégration liés à la microélectronique, ce qui sera un atout indéniable ici.
• Ces réseaux de lignes seront utilisés dans des procédés de gravure et dépôt/remplissage sélectif (facilité par la dissemblance chimique des blocs du BCP utilisé) afin de produire des réseaux réguliers de nanorésonnateurs placés dans des tranchées. Une modulation de la densité de telles tranchées contenant les résonnateurs fabriquées selon une symétrie circulaire devrai nous permettre de produire des dispositifs optiques de focalisation de la lumière (illustrations à droite). Les motifs obtenus présentant de forts facteurs d’aspect (à cause de la résolution de l’ordre de 20 nm), de nouveaux procédés de gravure plasma doivent être mis en œuvre comme les plasmas pulsés de type « embedded » qui commencent à être utilisés dans l’industrie de la microélectronique pour graver des motifs ayant un fort facteur d’aspect (FinFet < 10 nm). Un travail fondamental de compréhension des interactions plasma/surface sera nécessaire ici pour lever les limitations actuelles de nano-structuration utilisant les BCPs.
• Ces surfaces optiquement actives seront caractérisées optiquement pour évaluer/optimiser leurs propriétés de focalisation de la lumière (effet « lentille plate »).
• Finalement, ces lentilles seront implémentées sur chacun des pixels d’un capteur d’imagerie (plus. dizaines de MPix, surface 24*36 mm2) utilisé en microscopie holographique (technique aussi appelée imagerie « lensless »). Cette technique est actuellement développée au LTM dans l’équipe micro- et nanotechnologies pour la santé. Ceci permettra soit d’en améliorer directement la résolution (acquisition d’hologrammes plus résolus) soit d’en simplifier la mise en œuvre (pas besoin du calcul optique fastidieux de reconstruction de la phase de l’objet puisque l’image de l’objet pourrait être refocalisée directement).

Contexte dans le laboratoire :

Le sujet proposé est ambitieux, interdisciplinaire et fédérateur au niveau du laboratoire LTM car il implique plusieurs équipes (lithographie, gravure et santé). Il permettrait de valoriser de manière concrète les développements récents réalisés à la fois sur la lithographie par copolymères à blocs et en gravure plasma pour lever des verrous de fabrication sur ce type d’objets optiques diffractifs.

L’enjeu sociétal du développement d’une imagerie bas-coût/haute résolution/grand champ d’observation/transportable est très fort car cette méthode permettrait de faciliter la médecine délocalisée comme par exemple pour la caractérisation de micro-organismes et bactéries sur le terrain et/ou son intégration dans de nouveaux équipements de diagnostic médical.

SUJET DE THESE POUR CONTRAT DOCTORAL EEATS
Laboratoire : Laboratoire des Technologies de la Microélectronique
Directeur de thèse : Martin Kogelschatz
Email : martin.kogelschatz@univ-grenoble-alpes.fr
Tél : 04 38 78 56 59
Co-encadrants : Marc Zelsmann, Gilles Cunge

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