Thèse Effets Plasmoniques du Silicium Ultra-Dopé - Application aux Métasurfaces H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering Laboratoire de recherche : Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies Direction de la thèse : Vy YAM Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-05T23:59:59 Les plasmons de surface résultent de l'interaction de porteurs libres oscillants dans la matière avec des champs électromagnétiques incidents. Ils peuvent se manifester sous forme de polaritons de plasmons de surface (PPS) propagatifs le long d'une interface métal-diélectrique plane, ou sous forme de plasmons de surface localisés (PSL) dans des nanoparticules métalliques entourées d'un matériau diélectrique. Ils permettent de générer une amplification extrême du champ électromagnétique et une localisation sub-longueur d'onde de ce champ. Ces propriétés trouvent de nombreuses applications dans les capteurs, les dispositifs nanophotoniques, la photocatalyse et les spectroscopies à champ amplifié.
Cependant, l'utilisation de métaux tels que l'or ou l'argent reste problématique en raison de leur faible compatibilité avec la technologie des semi-conducteurs et des fortes pertes par dissipation aux longueurs d'onde optiques et infrarouges. Récemment, il a été démontré que les semi-conducteurs ultra-dopés présentent également des propriétés plasmoniques. Au sein du laboratoire C2N, le groupe EPLA maîtrise le dopage du silicium au bore ou au phosphore jusqu'à 3 × 10²¹ cm³ par les méthodes GILD (dopage laser par immersion gazeuse) ou PLIE (épitaxie induite par laser pulsé). Nous avons démontré que ces échantillons de silicium ultra-dopés présentent des résonances plasmoniques dont les fréquences peuvent être ajustées dans une fenêtre spectrale comprise entre 5 et 1,5 µm en modulant la concentration de porteurs libres entre 10² et 3x10²¹ cm³.
Nous allons exploiter ces propriétés pour concevoir des métasurfaces reconfigurables, compatibles avec les procédés de fabrication CMOS, capables de contrôler de manière très précise la direction et la phase des ondes électromagnétiques grâce la combinaison de résonances magnétique, électrique et plasmonique ou capable de moduler la phase ou l'amplitude de la lumière par l'application d'un champ électrique.

Le travail de thèse comprend :
- l'étude des propriétés plasmoniques du silicium ultra-dopé (FTIR, Ellipsométrie,
- la conception des métasurfaces (simulation FDTD, Comsol...)
- la fabrication de métasurfaces en salle blanche (lithographie électronique, gravure, MEB...)
- la caractérisation (mesures de transmittance et de réflectance optiques)

We have demonstrated that ultra-doped silicon samples exhibit plasmonic resonances whose frequencies can be tuned within a spectral window between 5 and 1.5 µm by modulating the free carrier concentration between 10² and 3 × 10²¹ cm³. Plasmonics enables the generation of extreme amplification of the electromagnetic field and sub-wavelength localization of this field. We exploit the plasmonic properties of ultra-doped Silicon to fabricate reconfigurable metasurfaces that are compatible with CMOS fabrication processes and capable of very precisely controlling the direction and phase of electromagnetic waves through the combination of magnetic, electric, and plasmonic resonances, or capable of modulating the phase or amplitude of light by applying an electric field.

Curiosité pour les expériences et les domaines de recherche novateurs.
- Créativité et proactivité dans la recherche de solutions et d'approches innovantes.
- Intérêt pour les expériences et les simulations.