Fabrication and optical simulation of periodic nanostructures and their applications

par Jia Liu

Thèse de doctorat en Électronique, micro et nanoélectronique, optique et laser

Sous la direction de Régis Orobtchouk.

Soutenue le 31-03-2016

à Lyon , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône) (laboratoire) et de Institut des Nanotechnologies de Lyon - Site de l'INSA / INL (laboratoire) .

Le président du jury était Christian Seassal.

Le jury était composé de Régis Orobtchouk, Christian Seassal, Gérard Granet, Gilles Lerondel, Maxime Besacier.

Les rapporteurs étaient Gérard Granet, Gilles Lerondel.

  • Titre traduit

    Fabrication et simulation optique de nanostructures périodiques et leurs applications


  • Résumé

    Les nanostructures périodiques jouent un rôle important dans le domaine des nanotechnologies, en particulier dans le contrôle des photons. Bien qu'il existe de nombreuses techniques d'usage général pour la fabrication et la simulation optique, nous avons développé une technique de fabrication sur mesure et une méthode de simulation optiques pour les structures périodiques pour accélérer le prototypage à l’échelle du laboratoire et la conception optique. Dans la première partie de cette thèse, nous décrivons une technique lithographique nommée « Laser Interference Lithography » (LIL) à faible coût pour la fabrication de nanostructures périodiques. La technique LIL est combinée avec gravure sèche, gravure humide et technique de gravure électrochimique pour réaliser, respectivement, des trous cylindriques, des pyramides inversées et des réseaux taux de pores bi-périodiques à facteur d’aspect élevé sur le substrat à base de silicium. Les modèles unidimensionnels sur des substrats en verre sont également utilisés comme nanofiltres dans la réalisation de la puce de pré-concentration à faible coût. Dans la deuxième partie, nous décrivons d'abord une méthode de calcul électromagnétique rigoureuse Rigorous Coupled-Wave Analysis (RCWA) conçu pour les structures périodiques. Une description détaillée est donnée pour expliquer la méthode numérique. Ensuite, nous combinons la méthode RCWA et une nouvelle approche proposée de la conception des modèles pseudo-désordonnée pour améliorer le piégeage des photons. A titre d'exemple, nous démontrons que, en ajoutant des structures désordonnées à petite échelle sur des arrangements périodiques à grande échelle, la performance quant à l’absorption des couches minces de silicium peut être grandement améliorée.


  • Résumé

    Periodic nanostructures play an important role in the domain of nanotechnology, especially in photon control. While there exist many general purpose techniques for fabrication and optical simulation, we show tailored fabrication and optical simulation methods for periodic structures to accelerate lab-scale prototyping and optical design. In the first part of this dissertation, we describe a low-cost lithographic technique named Laser Interference Lithography (LIL) for fabricating periodic nanostructures. LIL technique is combined with dry-etching, wet-etching and electrochemical etching technique to realize, respectively, cylindrical holes, inverted pyramids and high aspect ratio pore arrays on silicon based substrate. The one-dimensional patterns on glass substrates are also used as nanofilters in realizing low-cost preconcentration chip. In the second part, we first describe Rigorous Coupled-Wave Analysis (RCWA), a rigorous electromagnetic calculation method designed for periodic structures. A detailed derivation is given to explain the numerical method. Then, we combine the RCWA method and a new proposed pseudo-disordered patterns design approach to investigate photon control. As an example, we demonstrate that by adding ‘appropriate’ engineered fine stripes to each long period the absorption performance of thin silicon slab can be largely enhanced.


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