DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne le domaine de la plasmonique visant à contrôler les propriétés des plasmons de surface. Plus particulièrement l'invention concerne la réalisation d'une source à plasmons commandée électriquement. Un plasmon de surface est une oscillation collective des électrons libres confinés à la surface d'un métal. Sous certaines conditions, une onde lumineuse peut se coupler aux plasmons de surface. La plasmonique cherche à développer des composants nécessaires à la maîtrise du phénomène, en particulier à l'aide d'une structuration de surface aux échelles nanométriques.

La plasmonique s'applique par exemple en photonique intégrée où le traitement de l'information est réalisé optiquement sur puce. Dans ce contexte, les plasmons de surface peuvent être utilisés avantageusement au vu du fort potentiel de confinement du champ électromagnétique qu'ils possèdent.

Un autre domaine d'application concerne les capteurs surfaciques. Le plasmon de surface étant par nature localisé à une interface, ses propriétés sont extrêmement sensibles aux variations des matériaux définissant l'interface. Cette sensibilité, à la base du capteur, est largement employée en biologie pour étudier les constantes d'affinités entre entités moléculaires.

ETAT DE LA TECHNIQUE II existe deux principes pour exciter les plasmons de surface.

Un premier principe repose sur une excitation optique dans lequel le vecteur d'onde d'un photon incident résonne avec celui du plasmon et transfert son énergie à l'onde de surface. Le transfert est favorisé soit par une structuration de la surface en réseau de diffraction ou en object diffractant ponctuel, soit par couplage évanescent en réflexion totale interne dans un matériau à haut indice. Toutes ces solutions techniques nécessitent l'utilisation de sources lumineuses (typiquement laser) et de dispositifs d'injection (lentille, miroir, prisme) qui ne sont pas compatibles avec une logique de miniaturisation et d'intégration sur puce. Des efforts ont été faits pour tenter de répondre à la miniaturisation des sources optiques à plasmons. Les lasers VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) ont notamment été proposés, mais nécessitent une couche électronique de contrôle physiquement séparée de la couche plasmonique et requièrent également des éléments optiques de couplage de taille macroscopique.

Bien que la plasmonique ait été largement développée ces dernières années avec notamment la conception et la réalisation de dispositifs optiques intégrés (guides à plasmon, modulateurs, filtres, commutateurs etc), l'exitation optique des plasmons de surface est peu compatible avec une logique d'intégration et le problème de la source à plasmon reste une contrainte forte limitant le développement de la technologie en dehors des prototypes de laboratoire.

Le deuxième grand principe d'excitation des plasmons repose sur le couplage par électrons. Historiquement, les plasmons de surface ont été découverts à l'aide de faisceaux d'électrons accélérés. Cette approche a récemment été adaptée à l'imagerie . La résolution nanométrique apportée par un faisceau focalisé d'électrons accélérés a permis d'obtenir des cartographies de plasmons de surface avec une qualité de détails inégalé. Ce type d'excitation nécessite une enceinte à ultravide et un canon à électrons et est peu adaptée à la problématique d'intégration. Généralement, ce genre d'études fondamentales se fait à l'aide d'un microscope électronique.

Il est à noter que l'excitation électrique de plasmons de surface a récemment été démontrée en utilisant des électrons de faibles énergies sans utiliser de chambre à vide. Le principe de couplage électron/plasmon repose sur un transfert inélastique d'énergie lors du passage d'un électron dans une jonction tunnel. Un microscope à effet tunnel couplé à une détection des pertes radiatives du plasmon ont été utilisés pour mettre en évidence l'excitation électrique du plasmon et sa propagation. Bien que la zone d'excitation du plasmon soit très petite (quelques nanomètres), la mise en œuvre du microscope à effet tunnel reste complexe.

D'autres approches plus compatibles avec les besoins de miniaturisation ont été développé et reposent sur un effet d'électroluminescence. Citons par exemple, l'excitation électrique de plasmons de surface par une diode lumineuse organique (OLED), par laser infrarouge à cascade quantique ou par électroluminescence de nanocristaux. Ces approches se basent sur un couplage entre l'émission lumineuse d'un matériau semiconducteur excité par injection de charges et un mode plasmon de surface. Dans le cas de la diode organique, la géométrie développée met en œuvre une architecture multicouches complexes avec notamment des matériaux favorisant le transport de charge dans la zone émettrice. L'excitation du plasmon de surface par couplage se fait sur l'anode de la diode

Toutefois, ces approches présentent des inconvénients, tels que des dimensions millimétriques dans le cas des OLED , des courants de fonctionnement important (kA/cm ² ) pour les laser à cascade quantique ou des technologies membranaires très fragiles ou en fonctionnement à température cryognétique pour les nanocristaux.

La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités. En particulier l'invention a pour but de réaliser un dispostif de génération de plasmons compatible avec la miniaturisation.

DESCRIPTION DE L'INVENTION II est proposé, selon un aspect de l'invention, un dispostif de génération de plasmons de surface par injection électrique, comprenant au moins un transistor à effet de champ disposé sur un substrat comprenant une électrode de source, une électrode de drain, une électrode de grille et un canal comprenant au moins un nanotube de carbone connecté électriquement à l'électrode de source et à l'électrode de drain, dans lequel le dispositif comprend un ensemble de guide(s) plasmonique(s) ,

- un guide plasmonique de l'ensemble comprenant un matériau métallique,

- au moins une partie du canal dénommée partie émettrice émettant une onde optique par électroluminescence lorsque des charges électriques sont injectées dans le canal, l'onde optique étant apte à se coupler à au moins un mode plasmon de surface dans un guide plasmonique associé,

- un guide plasmonique de l'ensemble étant adapté pour propager au moins un mode plasmon de surface par couplage avec l'onde optique émise par une partie émettrice associée.

Un avantage de l'invention consiste à pouvoir s'affranchir des excitations de plasmons tout optiques non intégrables et/ou complexes, ou d'opération en milieu extrême (ultravide, basse température), du fait d'une excitation électrique de plasmons.

En outre, le caractère localisé de l'émission lumineuse dans la partie émettrice du nanotube de carbone, répond à la problématique de miniaturisation de la source à plasmons.

Le dispositif selon l'invention est ainsi intégré selon une architecture planaire. Ainsi la possibilité d'exciter électriquement un plasmon de surface avec une approche planaire est une avancée significative dans la perspective de miniaturiser et d'intégrer toute la chaîne plasmonique sur puce.

En outre, le dispositif selon l'invention repose sur un composant fondamental de la nanoélectronique, le transistor à effet de champ à base de nanotube de carbone (CNTFET). Ce composant CNTFET est technologiquement mature, compatible avec la technologie CMOS et adaptable sur plusieurs supports (silicium, verre ...). La taille du CNTFET est définie par les dimensions du canal. Typiquement la dimension latérale correspond au diamètre du nanotube de carbone, soit 1 nm environ et la longueur peut varier de plusieurs dizaines de nanomètre à quelques micromètres. Cette grande variabilité permet l'intégration du CNTFET à grande échelle.

En outre, un autre avantage du dispostif selon l'invention par rapport aux autres approches consiste en la faible puissance électrique nécessaire au fonctionnement du dispositif, comparé à d'autres types de sources à plasmons intégrées. L'émission lumineuse et son couplage à un plasmon est obtenu pour des tensions de commande de quelques volts et des courants de quelques centaines de nano-Ampère à quelques micro- Ampères.

Ainsi, la puissance consommée, de quelques microWatt, en combinaison avec la faible taille des CNTFET, permet la parallélisation des sources à plasmon sur une puce, étape cruciale pour développer une plateforme de traitement de l'information reposant sur une architecture hybride électronique/plasmonique.

Avantageusement, un guide plasmonique comprend un élément métallique disposé au dessus du canal.

Avantageusement l'ensemble de guides plasmoniques comprend au moins une électrode du transistor à effet de champ dénommée électrode plasmonique.

Avantageusement l'ensemble correspond à la source et/ou au drain.

Avantageusement l'ensemble correspond à la grille.

Avantageusement le dispositif comprend une pluralité d'électrodes plasmoniques de grille disposées en parallèle le long du canal.

Avantageusement la distance minimale entre une partie émettrice du canal et un guide plasmonique associé est inférieure à 100 nm.

Avantageusement un guide plasmonique de l'ensemble comprend un matériau métallique de constante diélectrique présentant une partie réelle et une partie imaginaire telles que ladite partie imaginaire est inférieure d'au moins un facteur 5 à ladite partie réelle en valeur absolue pour une longueur d'onde égale à 900 nm.

Avantageusement le matériau métallique comprend de l'or et/ou de l'argent et/ou du cuivre

Avantageusement l'électrode de grille est disposée entre ledit substrat et le canal.

Avantageusement l'électrode de grille est disposée au-dessus du canal du côté opposé au substrat.

Avantageusement un guide plasmonique présente une forme de film rectangulaire. Avantageusement un guide plasmonique présente une forme de nanofil. Selon un mode de réalisation le canal présente une dimension supérieure à 1 μιτι et une position de la partie émettrice du canal dépend d'une tension électrique de polarisation appliquée entre la grille et la source et d'une tension électrique de polarisation appliquée entre le drain et la source.

Selon un mode de réalisation le canal présente une dimension inférieure à 1 μιτι et les guides plasmoniques de l'ensemble sont associés à la même partie émettrice dudit canal.

Selon un mode de réalisation un guide plasmonique présente une première partie à base d'un premier matériau métallique formant structure résonnante apte à exciter un mode plasmon de surface localisé et une deuxième partie à base d'un deuxième matériau métallique formant guide apte à faire propager un mode plasmon de surface par désexcitation non radiative du mode plasmon de surface localisé.

Selon un autre aspect de l'invention, il est également proposé un dispositif de génération de plasmons modulateur comprenant des moyens de commande de l'intensité des plasmons de surface par commande de la tension de polarisation V _G s appliquée entre la grille et la source du transistor à effet de champ.

Le transistor à effet de champ à base de nanotube de carbone présente des caractéristiques de transport unique notamment concernant sa modulation à haute-fréquences (MHz-GHz). Les propriétés optiques découlant directement des caractéristiques électroniques, le dispostif selon l'invention permet de moduler le plasmon de surface à ces hautes fréquences et donc d'encoder une infomation par un plasmon de surface à des fréquences proches du GHz. Par comparaison, les modulateurs plasmoniques les plus rapides de l'état de la technique opèrent à quelques KHz. Selon un autre aspect de l'invention, il est également proposé un circuit plasmonique comprenant au moins un dispositif de génération de plasmons de surface tel que décrit précédemment.

Le caractère miniaturisé et planaire du dispositif décrit précédemment permet la réalisation de circuits intégrés à base de plasmons de surface, ou hybrides électronique/plasmons. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : -la figure 1 illustre un mode de réalisation de l'invention dans lequel un guide plasmonique est formé d'un élément métallique disposé au dessus du canal, -la figure 2 illustre un mode de réalisation du dispositif selon l'invention dans lequel un guide plasmonique correspond à l'électrode plasmonique de drain, et dans lequel l'électrode de grille est disposée entre le substrat et le canal. - la figure 3 illustre une variante du dispositif selon l'invention dans laquelle un guide plasmonique correspond à l'électrode plasmonique de grille, et l'électrode de grille est disposée entre le substrat et le canal.

- la figure 4 illustre une variante du dispositif selon l'invention dans laquelle un guide plasmonique correspond à l'électrode plasmonique de grille, qui est disposée au dessus du canal du côté opposé au substrat.

- la figure 5 illustre une variante du dispositif selon l'invention dans laquelle une pluralité de grilles disposées au dessus du canal du côté opposé au substrat correspondant aux électrodes plasmoniques.

- la figure 6 illustre une variante du dispositif selon l'invention dans laquelle l'électrode de grille est disposée au dessus du canal et l'électrode de drain correspond à l'électrode plasmonique.

- la figure 7 illustre une variante du dispositif selon l'invention dans laquelle l'électrode de grille correspond à l'électrode plasmonique, est disposée au dessus du canal et présente une forme de nanofil.

- la figure 8 illustre une variante du dispositif selon l'invention dans laquelle un guide plasmonique correspond à l'électrode plasmonique de drain, et comprend deux parties, une partie formant cavité résonnante et une partie formant guide à plasmon.

- la figure 9 illustre un exemple de polarisation électrique du transisor à effet de champ selon l'invention.

- la figure 10 illustre une variante du dispositif selon l'invention dans laquelle le canal du transistor à effet de champ est court.

- la figure 1 1 représente un dispositif modulateur selon l'invention.

- la figure 12 représente un circuit plasmonique selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

Un premier mode de réalisation du dispositif 1 selon l'invention de génération de plasmons de surface par injection électrique est illustré sur la figure 1 . La figure 1 a illustre le dispositif vu en coupe, la figure 1 b illustre le dispositif vu de dessus.

Le dispositif comprend au moins un transistor à effet de champs ou FET pour Field Effect Transistor en langue anglaise, disposé sur un substrat 10. Le substrat est quelconque, et comprend par exemple du verre, du quartz, du Silicium, de l'arséniure de gallium ou des polymères.

Le transistor à effet de champ comprend une électrode de source S, une électrode de drain D , une électrode de grille G et un canal 1 1 dans lequel circulent les porteurs électriques (électrons, trous). Selon une variante, le substrat 10 est un semiconducteur fortement dopé qui joue le rôle de la grille. Le canal 1 1 comprend au moins un nanotube de carbone ou CNT pour Carbon Nanotube en langue anglaise. Selon une variante le canal comprend un réseau de CNT. Les nanotubes de carbone sont connectés à une extrémité à la source du FET et à l'autre extrémité au drain du FET. Les nanotubes de carbone sont par exemple réalisés à l'aide du procédé HiPCO pour High Pressure Carbone Oxyde en langue anglaise.

La grille G contrôle la conduction du canal 1 1 .

Selon la première variante décrite figure 1 , la grille est déposée sur le substrat 10, et un isolant 12 est disposé sur la grille G. Sur l'isolant 12 sont disposés le canal 1 1 , ainsi que les électrodes de source S et de drain D. L'isolant 12 évite les courants de fuite lorsqu'une différence de potentiel est appliquée entre le drain D et la source S et permet d'effecteur un couplage capacitif entre la grille G et le canal 1 1 afin de contrôler la densité de charges dans le canal de conduction.

Selon cette variante l'électrode de grille est disposée entre le substrat 10 et le canal 1 1 .

Le dispositif de la figure 1 comprend un ensemble de guides plasmoniques comprenant un guide plasmonique dénommé PG. Le guide plasmonique PG comprend un élément métallique disposé au dessus du canal 1 1 , du côté opposé au substrat. Le guide plasmonique est par exemple disposé en contact direct avec le canal 1 1 ou séparé du canal 1 1 par une couche diélectrique. En variante, l'ensemble peut comprendre une pluralité de guides plasmoniques. Pour obtenir une source à plasmon de surface selon l'invention, un aspect optique et un aspect plasmonique sont associés.

Dans le dispositif 1 selon l'invention, lorsque des charges électriques sont injectées dans le canal 1 1 , au moins une partie 13 du canal 1 1 , dénommée partie émettrice, émet une onde optique par électroluminescence.

Par onde optique on entend une onde lumineuse comprenant des longueurs d'ondes comprises entre 400 nm et 5 μιτι.

L'électroluminescence d'une partie 13 du canal 1 1 est obtenue en polarisant le transistor selon certaines conditions décrites plus loin et en adaptant la géométrie et la nature du canal.

De plus, l'onde optique émise par électroluminescence est apte à se coupler à au moins un mode plasmon de surface dans un guide plasmonique PG, qui est alors le guide plasmonique associé à cette partie émettrice 13 du canal qui génère l'onde optique.

Le couplage s'effectue de la manière suivante : un photon issu de l'électroluminescence de la partie émettrice 13 du canal 1 1 pénètre dans le métal de l'électrode plasmonique PE par effet de peau sous la forme d'une onde évanescente. Lorsque la distribution de vecteur d'onde des photons émis par électroluminescence comporte ceux qui sont résonants avec le plasmon de surface polariton, dénommé SPP selon l'acronyme ango-saxon pour Surface Plasmon Polariton, du guide plasmonique PG, l'énergie des photons est couplée à cette oscillation cohérente des électrons libres. Le plasmon de surface polariton SPP se propage sur le métal du guide plasmonique PG.

Les plasmons de surface polaritons SPP sont caractérisés par un vecteur d'onde particulier et sont de type propagatif. Il existe une relation de dispersion qui relie le vecteur d'onde du plasmon de surface à la longueur d'onde utilisée pour son excitation, c'est à dire pour que l'onde optique se couple au plasmon de surface SPP. La courbe de dispersion impose que pour exciter un plasmon de surface à une énergie donnée avec un photon, ce dernier doit remplir la condition d'accord de phase et posséder le vecteur d'onde approprié.

Ainsi, un guide plasmonique est un guide adapté pour propager au moins un mode plasmon de surface SPP par couplage avec l'onde optique émise par la partie émettrice associée. On dit alors que le guide présente des propriétés plasmoniques.

Le mode plasmon de surface SPP peut se propager à différentes interfaces du guide. Selon une variante, le mode plasmon est excité à l'interface supérieure entre le métal et le milieu extérieur. Selon une autre variante le mode plasmon se propage entre le métal et le substrat. L'avantage de cette variante est que le mode de plasmon de surface ne nécessite pas de structuration précise des électrodes, comme se serait le cas pour des modes plasmons de tranchées ou de structure métal/isolant/métal. Une caractéristique essentielle du guide plasmonique concerne le matériau qui le compose : le ou les guides(s) plasmonique(s) sont à base de matériau métallique. En effet le caractère métallique du guide plasmonique PG est une condition nécessaire pour qu'un mode plasmon de surface SPP se propage dans celui-ci.

S'il y a plusieurs guides plasmoniques, chaque guide plasmonique peut être constituée d'un matériau métallique différent. Selon une autre variante, tous les guides plasmoniques sont constitués d'un même matériau métallique, ce qui simplifie la fabrication. Le couplage photon/plasmon est un couplage de type champ proche, qui se réalise lorsque la partie émettrice 13 du canal 1 1 est positionnée à proximité du guide plasmonique PE. Ainsi une partie émettrice 13 du canal située à proximité du guide plasmonique est une partie émettrice du canal associée au guide plasmonique PG.

L'efficacité du couplage dépend de la distance entre le guide plasmonique et la partie émettrice associée. Préférentiellement la distance minimale entre un guide plasmonique PG et la partie émettrice 13 du canal associée est inférieure à 100 nm.

La localisation de la partie 13 émettrice dépend des conditions de polarisation du FET et de la géométrie du canal. Ces paramètres sont adaptés pour que la partie 13 émettrice du canal 1 1 soit positionnée à proximité du guide plasmonique.

Les électrodes de drain D, de source S et de grille G peuvent être optimisées pour améliorer les conditions de transport électrique du transistor.

Préférentiellement, et selon l'art connu, des couches d'accroché 14 et 15 sont disposées respectivement entre le substrat et la source S, et entre le substrat et le drain D, comme illustré sur la figure 1 . Ces couches d'accroché ont pour fonction de réduire la barrière Schottky et d'améliorer les conditions de transport électronique dans le transistor.

Préférentiellement, l'électroluminescence s'effectue selon des longueurs d'ondes du spectre visible ou infra rouge. L'avantage principal d'une émission dans le proche infrarouge proche consiste en l'exploitation potentielle de la technique par les standards actuels (longueur d'onde télécom). L'avantage d'une émission dans le visible consiste en ce que le plasmon excité peut ensuite se coupler fortement à des résonances électroniques dans des systèmes hybrides moléculaires.

La longueur d'onde d'électroluminescence dépend de la géométrie du nanotube, par exemple du diamètre du nanotube. Les propriétés optiques des nanotubes de carbone sont imposées par la chiralité de ce dernier. L'émission lumineuse résulte d'une transition électronique entre les singularités de Van Hove (E1 1 ). L'énergie de cette transition dépend fortement du diamètre et se décale vers les basses énergies lorsque le diamètre croît.

Pour qu'un mode plasmon de surface se propage de manière satisfaisante, il est préférable que le matériau métallique du guide plasmonique PG présente certaines propriétés aux fréquences optiques et plus particulièrement une partie imaginaire faible pour que la propagation du plasmon de surface s'opère sans trop d'atténuation. Ainsi, la propagation du plasmon s'effectue dans de bonnes conditions lorsque la constante diélectrique ε du matériau métallique du guide plasmonique présente une partie réelle R(E) et une partie imaginaire Ι(ε) telles que la partie imaginaire est inférieure d'au moins un facteur 5 à la partie réelle en valeur absolue pour une longueur d'onde égale à 900 nm ; |l(£)|< |R(£)| / 5 pour A = 900 nm.

Soit |R(£)| / |I(£)|> 5

Le tableau ci-dessous présente les valeurs de constante diélectriq différents métaux à titre d'exemple.

Tableau I : constante diélectrique ε de différents métaux

On constate sur ce tableau qu'un nombre restreint de métaux présentent une telle propriété. Ainsi préférentiellement le matériau métallique d'un guide plasmonique comprend de l'or et/ou de l'argent et/ou du cuivre.

Selon un mode de réalisation illustré sur la figure 2 (vue 2a de coupe, vue 2b de sessus), l'ensemble de guide(s) plasmonique (s) comprend au moins une des électrodes du FET dénomée(s) alors électrode(s) plamonique(s) PE. Cela signifie qu'au moins un guide de l'ensemble correspond à la source et/ou le drain et/ou la grille du FET.

Ce mode de réalisation peut être combiné au mode de réalisation précédent, l'ensemble de guides plasmoniques comprenant au moins une électrode plasmonique PE et un guide plasmonique qui ne constitue pas une électrode du FET.

A titre d'exemple, ce dispositif comprend une électrode plasmonique PE correspondant au drain D (PE = D). En variante, l'ensemble de guide(s) plasmonique(s) correspond à l'électrode de source S et/ou l'électrode de drain D. Pour la réalisation de transistors à effet de champ selon l'état de la technique, seules les propriétés électriques et électroniques sont prises en compte pour le choix du matériau des électrodes.

L'utilisation d'une électrode d'un FET comme électrode plasmonique PE pour propager un plasmon de surface induit une caractéristique additionnelle concernant le métal de l'électrode, relative à la valeur de la constante diélectrique du métal aux fréquences optiques telle que décrite précédemment.

Préférentiellement, et selon l'art connu, des couches d'accroché 14 et 15 sont disposées entre respectivement le substrat et la source S, et le substrat et le drain D, comme illustré sur la figure 2. Ces couches d'accroché ont pour fonction de réduire la barrière Schottky et d'améliorer les conditions de transport électronique dans le transistor. Mais cette amélioration est obtenue au détriment de l'excitation du plasmon. Les matériaux utilisés selon l'état de l'art sont le palladium Pd ou le titane Ti. Ces matériaux ne présentent pas des propriétés plasmoniques satisfaisantes (voir tableau I).

Ainsi, lorsque la source et/ou le drain sont des électrodes plasmoniques, un compromis doit être trouvé entre les propriétés de transport et les propriétés plasmoniques des électrodes plasmoniques. Ainsi préférentiellement l'épaisseur de la couche d'accroché en Pd ou en Ti disposée entre le substrat 10 et l'électrode plasmonique PE (source et/ou drain) est inférieure ou égale à 10 nm. Bien entendu, compte tenu de leurs très mauvaises propriétés plasmoniques, le Ti ou le Pd ne peuvent être utilisés comme matériau métallique pour la ou les électrodes plasmoniques PE (voir tableau I)-

Selon ce mode de réalisation, l'ensemble d'électrodes plasmoniques correspond à la source S et/ou au drain D, à l'exclusion de la grille. Un avantage de cette structure consiste en ce que les plasmons et les électrons se propagent sur un même support (S et/ou D) ce qui améliore la maîtrise de leur propagation et la compacité du dispositif.

Un exemple de dispositif selon ce mode de réalisation est un substrat en verre d'épaisseur 170 μιτι, sur lequel est déposée une grille en ITO de 10-15 nm. L'isolant 12 est constitué d'une couche de SiOx de 100 à 300 nm. Une couche d'accroché de Pd d'épaisseur 10 nm est disposée entre l'isolant 12 et l'électrode de drain (couche 15), et entre l'isolant 12 et l'électrode de source (couche 14). Les électrodes de source S et de drain D sont toutes deux constituées d'une couche d'or (Au) d'épaisseur 50 nm.

Dans le dispositif de la figure 2, les conditions de polarisation du FET sont adaptées pour que la partie 13 émettrice du canal 1 1 soit positionnée à proximité du drain D, qui correspond alors à l'électrode plasmonique PE. L'électrode de drain PE est ainsi associée à la partie 13 se trouvant à proximité pour l'obtention d'un plasmon de surface par couplage. Une fois excité, un plasmon de surface SPP se propage le long de l'électrode de drain D.

Le même principe de fonctionnement peut être obtenu avec la source S, lorsque d'une part elle présente des propriétés plasmoniques, et d'autre part si les conditions de polarisation du FET sont adaptées pour que la partie 13 émettrice du canal 1 1 soit positionnée à proximité de la source S.

Ainsi c'est l'association d'une électrode PE présentant des propriétés plasmoniques et d'une partie émettrice 13 du canal 1 1 positionnée à proximité de l'électrode PE, qui permet l'excitation d'un mode plasmon par couplage et la propagation d'un mode plasmon de surface SPP.

En variante, comme illustré sur la figure 3 (vue 3a en coupe, vue 3b de dessus), l'ensemble de guide(s) plasmonique(s) correspond à l'électrode plasmonique de grille G qui présente alors une géométrie adaptée pour propager un mode plasmon de surface SSP. Selon cette variante, les conditions de polarisation du FET et la géométrie du canal sont adaptées pour que la partie 13 émettrice du canal 1 1 soit positionnée à proximité de la grille G, de manière à être associée à l'électrode plasmonique de grille G. Mais les électrodes de drain D et de source S peuvent également présenter des propriétés plasmoniques. Dans ce cas, en fonction des conditions de polarisation du transistor et de la géométrie du canal, déterminant la localisation de la partie émettrice 13, les électrodes de drain D, de source S ou de grille G sont aptes, alternativement, ou par groupe de deux, ou toutes les trois simultanément, à correspondre à l'ensemble de guides plasmoniques. Selon cette variante l'électrode de grille est disposée entre le substrat et le canal.

Selon une autre variante du dispositif 1 illustrée sur la figure 4 (vue 4a en coupe, vue 4b de dessus), l'électrode de grille G est disposée au dessus du canal 1 1 , et du côté opposé au substrat 10. La couche isolante 12 est alors également disposée au dessus du canal 1 1 , entre le canal 1 1 et l'électrode de grille G.

Selon la variante illustrée figure 4, l'ensemble de guide(s) plasmonique(s) correspond à l'électrode plasmonique de grille G, dont le matériau et la géométrie sont adaptés pour propager un mode plasmon de surface SPP.

Selon cette variante, les conditions de polarisation du FET et la géométrie du canal sont adaptées pour que la partie 13 émettrice du canal 1 1 soit positionnée à proximité de la grille G, de manière à être associée à cette électrode. Afin de réaliser un couplage en champ proche, l'épaisseur de la couche isolante 12 qui sépare l'électrode plasmonique de grille G et le canal

1 1 doit être inférieure à 200 nm.

Un avantage de la structure dans laquelle l'électrode de grille G correspond à l'électrode plasmonique PE (l'électrode de grille pouvant être disposée entre le substrat et le canal ou au dessus du canal), consiste en la possibilité de réaliser une pluralité d'électrode de grille du transistor à effet de champ, comme représenté sur la figure 5. Les grilles G sont disposées en parallèle le long du canal 1 1 . En fonction de la position de la zone émettrice 13 du canal 1 1 (déterminée par la géométrie du nanotube et les conditions de polarisation du transistor), il est possible de choisir la grille Gi (i indice de la pluralité de grilles) dans laquelle le mode plasmon de surface se propage. Une fonction de multiplexage spatial du plasmon de surface SPP généré par le dispositif 1 est ainsi obtenue.

En variante, comme illustré sur la figure 6 (vue 6a en coupe, vue 6b de dessus), l'électrode de grille G est disposée au dessus du canal 1 1 mais ne correspond pas à une électrode plasmonique. La source S et/ou le drain D correspondent à l'ensemble d'électrode(s) plasmonique(s), et leur structure est identique à celle illustrée par la figure 2. Plusieurs géométries d'électrodes sont compatibles avec la propagation d'un mode plasmon de surface SPP.

Les guides plasmoniques présentent une forme adaptée pour la propagation d'un mode plasmon SPP.

Un premier exemple est un guide plasmonique de forme rectangulaire d'épaisseur d.

Préférentiellement, pour une excitation efficace du plasmon, l'épaisseur d est inférieure à 70 nm.

Pour un guide plasmonique PG, la longueur est définie comme la direction de propagation du plasmon SPP, et la largeur la dimension perpendiculaire. Préférentiellement la largeur de l'électrode plasmonique est supérieure à 1 .5 fois la longueur d'onde d'électroluminescence. En effet pour une forme rectangulaire il existe une largeur de coupure en dessous de laquelle le mode plasmon est fortement atténué. Au-delà de cette largeur la longueur de propagation du plasmon ne dépend plus de la largueur de l'électrode, ce qui facilite la propagation.

Un autre exemple est une forme d'électrode en sillon ou « grooves » en langue anglaise. Dans cette configuration le mode plasmon de surface est excité dans le creux du sillon de dimensions sub-longueur d'onde et se propage sur des distances supérieures aux guides plasmoniques rectangulaires.

Un autre exemple est une électrode plasmonique sous forme de nanofil. La figure 7 illustre un tel exemple. Un nanofil 60 correspond à l'électrode de grille plasmonique (G=PE), un nanofil étant apte à propager un mode plasmon de surface. Cette approche permet de réduire les dimensions du dispositif 1 et d'améliorer les propriétés plasmoniques en utilisant notamment un nanofil métallique monocristallin.

Typiquement, un nanofil en or ou en argent de diamètre compris entre quelques dizaines à quelques centaines de nm et de longueur 1 à 2 μιη est apte à propager un plasmon de surface par couplage avec une onde optique d'énergie correspondant à celle de l'électroluminescence. L'avantage de propager un plasmon de surface dans un nanofil est qu'il n'existe pas de diamètre de coupure. Quelque soit le diamètre, un mode plasmon peut être excité et se propager dans le nanofil.

Selon une autre variante illustrée sur la figure 8 (vue 8a en coupe, vue 8b de dessus) un guide plalsmonique PG, par exemple l'électrode plasmonique de drain, présente une première partie 70 à base d'un premier matériau métallique formant une structure résonante apte à exciter un mode plasmon de surface localisé et une deuxième partie 71 à base d'un deuxième matériau métallique formant guide apte à faire propager un mode plasmon de surface (SPP) par désexcitation non radiative du mode plasmon localisé. Les modes plasmons de surface localisés sont des modes particuliers caractéristiques de nanoparticules 70 constituées de nanostructures métalliques limitées spatialement en trois dimensions, comme par exemple une nanoparticule d'or ou un nanobatônnet d'argent. Les modes plasmons dans ces cavités 70 sont des modes spatialement confinés et possèdent une (ou plusieurs) résonance(s) spectrale(s) pour laquelle l'interaction entre une onde électromagnétique (un photon) et la nanoparticule est maximisée. La résonance est en longueur d'onde (résonance spectrale) et n'impose pas de contraintes particulières sur la direction du vecteur d'onde. La position spectrale de la résonance dépend fortement de la taille, la composition et la géométrie de la nanostructure 70. En jouant sur ces paramètres, il est relativement aisé de contrôler précisément à quelle longueur d'onde la nanostructure 70 résonne.

En structurant la première partie de l'électrode de façon à exciter un mode plasmon localisé résonant avec le spectre de l'onde optique d'électroluminescence, les photons émis lors du processus d'électroluminescence disposent d'un « réservoir » dans lequel ils peuvent émettre. Le plasmon localisé et la densité locale d'états photoniques qui lui est associée forme ce « réservoir ».

Par exemple, la première partie 70 de l'électrode plasmonique PE a une forme allongée, typiquement ovale, ou une forme sphérique.

Le plasmon localisé perd son énergie sous forme non-radiative en se couplant à des plasmons de surface SPP se propageant dans la deuxième partie 71 de l'électrode plasmonique. La deuxième partie 71 a par exemple une forme rectangulaire. Un avantage de l'électrode plasmonique en deux parties consiste en l'amélioration du rendement de couplage électroluminescence/plasmon de surface propagatif. Dans le dispositif 1 selon l'invention, l'émission d'une onde optique par électroluminescence dans une partie émettrice 13 du canal 1 1 du FET à base de nanotube est obtenue par injection de porteurs dans le canal, selon certaines conditions de tension électrique de polarisation du transistor et de structure des nanotubes de carbone.

Selon une variante le canal 1 1 , dénommé canal long, a une longueur supérieure à 1 μιτι.

Le transistor FET est par exemple de type p, polarisé de manière à être passant, avec une tension V _GS = V _G -Vs négative, obtenue pat exemple en appliquant une tension Vs positive à la source et une tension V _G négative à la grille G, tel qu'illustré sur la figure 9. Sur la figure 8 sont représentés des électrons e ^" et des trous h ⁺ circulant dans le dispositif. Le canal est par exemple composé d'un nanotube unique de carbone simple paroi ou SWCNT selon l'acronyme anglo-saxon pour « Single Wall Carbon Nano Tube ».

Dans l'exemple de la figure 8, l'ensemble d'électrodes plasmoniques comprend la source S et le drain D, qui comprennent par exemple une couche d'or (épaisseur 50 nm) déposée sur une couche d'accroché de palladium (épaisseur 10 μιτι).

Lorsque le canal est long, le régime de transport des porteurs est dit ambipolaire lorsque la tension V _G s est approximativement égale à la moitié de la tension V _D s = V _D -Vs. Dans ce régime, les trous et les électrons sont injectés dans le canal à chaque extrémité. La position de la partie émettrice 13 du canal 1 1 dépend de la tension électrique de polarisation V _GS appliquée entre la grille G et la source S et de la tension électrique de polarisation V _D s appliquée entre le drain D et la source S.

Par exemple, une électroluminescence à une longueur d'onde de 980 nm à proximité de la source est obtenue pour :

V _GS = - 5V , V _DS = 10V

l _DS = 1 μΑ avec un canal constitué d'un nanotube de diamètre 0.7nm à 1 .3nm et de longueur 3 micromètres.

Par exemple, une électroluminescence générée à proximité de la source est obtenue pour une tension électrique de grille imposant un courant de conduction porté par les électrons (canal de type P) . Ces derniers se recombinent avec les porteurs minoritaires (trous) près de la source S.

Dans ces conditions un plasmon de surface SPP est généré dans l'électrode plasmonique de source S par couplage avec un photon hv généré par électroluminescence (EL).

Par exemple, une électroluminescence générée à proximité du drain D est obtenue pour une tension de grille imposant un courant de conduction porté par les trous (canal de type P). Ces derniers se recombinent avec les porteurs minoritaires (électrons) près du drain D.

Par exemple une électroluminescence générée à proximité de la grille est obtenue pour une tension de grille imposant un régime de transport ambipolaire. Dans ce régime, le contrôle précis de la tension de grille permet de déterminer la zone de recombinaison des porteurs le long du canal. Pour un canal long et une zone de recombinaison des porteurs de faible dimension, l'électroluminescence est générée soit sur le drain, soit sur la source, soit entre les deux.

L'avantage d'un canal long consiste en un contrôle électrique de la position de la zone électroluminescente le long du canal. Dans la variante décrite dans la figure 5, le multiplexage spatial dans les différentes grilles est effectué en contrôlant le régime ambipolaire.

Selon une autre variante le canal 1 1 , dénommé canal court, a une longueur inférieure à 1 μιτι. Dans ce cas l'électroluminescence est principalement émise par un processus d'ionisation par impact. La structure de bande du nanotube de carbone est fortement modifiée aux électrodes créant ainsi un champ électrique local très intense. Ce champ électrique accélère les porteurs qui se couplent à des excitons. La désexcitation des excitons est responsable de l'émission lumineuse. La zone de recombinaison étant comparable à la longueur du canal, il est possible d'exciter simultanément un plasmon SPP dans toutes les électrodes S, G et D, si elles ont des propriétés plasmoniques, et éventuellement dans un guide plasmonique qui ne correspond pas à une électrode du FET. Ainsi dans ce régime, les guides plasmoniques de l'ensemble sont associés la même partie émettrice 1 3.

La figure 1 0 illustre un dispositif 1 selon l'invention avec un FET à canal court, avec des électrodes de source, de drain et de grille étant des électrodes plasmoniques. La source et le drain sont dans cet exemple de forme rectangulaire, et l'électrode de grille est sous forme de nanofil. La zone émettrice 1 3 est par construction associée aux trois électrodes plasmoniques, et trois plasmons SPP sont simultanément générés dans les trois électrodes S, G et D.

Un exemple de polarisation dans ce régime est

V _GS = -5V, V _DS = 1 0V

I DS = 5 μΑ

L'avantage d'un canal court consiste en ce que le processus d'électroluminescence est plus efficace que dans un régime ambipolaire typique d'un canal long. Ce processus permet de générer des excitons de plus haute énergie et par voie de conséquence d'exciter simultanément des plasmons de surface dans deux bandes spectrales.

La figure 1 1 illustre un dispositif de génération de plasmons modulateur comprenant des moyens de commandes 1 10 de l'intensité des plasmons de surface, par commande de la tension de polarisation V _G s appliquée entre la grille G et la source S.

Les moyens de commande sont par exemple un générateur de signaux radiofréquence contrôlant le potentiel électrique de grille et par voie de conséquence la conduction du transistor.

Le transistor à effet de champ à base de nanotube de carbone présente des caractéristiques de transport unique notamment concernant sa modulation à haute-fréquences (MHz-GHz). Les propriétés optiques découlent directement des caractéristiques électroniques. Pour un nanotube de carbone semiconducteur, le contrôle de la tension électrique de grille permet de faire fonctionner le transistor suivant deux régimes de fonctionnement. Un premier régime dit de commutation ou le potentiel de grille évolue entre deux états binaires définis par la valeur du courant i _DS . Le deuxième régime dit de modulation ou le potentiel de grille module \ _DS en suivant la caractéristique de sortie du transistor i _DS =f(V _G s ₎ - L'amplitude du signal électroluminescence dépendant directement du courant i _DS , la modulation ou la commutation du potentielle de grille permet donc de moduler le plasmon de surface.

Le dispostif selon l'invention module le plasmon de surface à ces hautes fréquences et est donc capable d'encoder une infomation par un plasmon de surface à des fréquences proches du GHz. Par comparaison, les modulateurs plasmoniques les plus rapides de l'état de la technique opèrent à quelques KHz. Le dispositif de génération de plasmons tel que décrit précédemment constitue un élément de base pour la réalisation d'un circuit plasmonique, de même qu'un transistor constitue un élément de base pour un circuit électronique. Le plasmon créé et se propageant dans l'électrode plasmonique peut être par modulé afin de coder une l'information, multiplexé spatialement à l'aide d'un routeur tel qu'un réseau, transformé en signal électrique ou optique, détecté, etc ..

La figure 12 illustre un exemple de circuit plasmonique comprenant un dispositif de génération de plasmons de surface selon l'invention.

Dans cet exemple le mode plasmon de surface SPP se propage sur un guide plasmonique PG déposé sur le canal 1 1 . Le plasmon de surface est distribué dans le circuit par un routeur 120 (par exemple un réseau) pour être filtré et/ou modulé par un filtre et/ou modulateur 121 , puis converti en une information électrique par un photo-détecteur intégré 122. Pour une application en photonique intégrée, avant sa détection le plasmon SPP est mis en forme afin de commander un composant aval ou transporter une information optique dans une circuiterie métallique avant d'être reconverti en une information électrique par un photo-détecteur intégré.