Rôle de l’excitation du plasmon de surface sur la formation des LIPSS

Dans le chapitre I nous avons détaillé l’importance des plasmons de surface sur le couplage laser matière, ainsi le rôle d’excitation des plasmons sur la formation des LIPSS. Dans ce présent chapitre nous allons démontrer expérimentalement le rôle des plasmons sur la formation des LIPSS. Ainsi, nous avons décrit dans le chapitre II, le dispositif expérimental comprenant un laser délivrant des impulsions femtoseconde, un dispositif pour la mise en forme temporelle des impulsions et enfin les différentes techniques de caractérisation utilisées dans le cadre de cette étude. Dans ce chapitre, nous présenterons la démarche suivie ainsi que la description détaillée de notre système expérimental qui nous a permis de mettre en évidence l’influence de l’excitation des plasmons de surface sur la formation des LIPSS. Nous nous intéresserons également aux conditions nécessaires à l’excitation des plasmons de surface et nous examinerons enfin les résultats obtenus. Dans cette partie nous allons montrer le rôle de l’excitation des plasmons de surface sur la formation des LIPSS. Les plasmons de surface sont des ondes électromagnétiques associées à une oscillation collective des électrons du plasma d’électrons libres à la surface d’un métal. C’est une onde longitudinale, elle provient du couplage entre les photons incidents arrivant sur une surface métallique. Cette résonance de plasmon est obtenue uniquement pour une polarisation TM comme nous l’avons détaillé dans le chapitre I. Nous indiquons dans les paragraphes suivants les démarches expérimentales suivies pour aboutir à l’excitation des plasmons de surface : réalisation de réseaux de différentes périodes sur la surface de l’échantillon , ceci étant une condition nécessaire à l’excitation des plasmons comme cela a été mentionné dans le chapitre I. Nous discuterons par la suite de l’importance du couplage laser-matière dans la formation des LIPSS. Enfin, cette démarche expérimentale sera suivie d’une analyse approfondie des résultats obtenus. Ces travaux ont été publiés dans la référence [GCP11].

Nous avons développé dans notre laboratoire un ensemble de procédures et techniques lithographiques réalisées par Svetlen TONCHEV permettant de fabriquer des réseaux de différentes périodes dans la gamme de 440 à 800 nm et de profondeur allant de 10 nm à 500 nm. Dans notre expérience, nous avons donc choisi une épaisseur de 10 nm de manière à ne pas changer la constante diélectrique correspondant à une surface lisse. Nous avons utilisé une gravure chimique pour obtenir une faible épaisseur sur des substrats de nickel. Un banc d’exposition d’interférences de type Mach-Zehnder a été utilisé pour créer des réseaux de différentes périodes sur plusieurs plaques de nickel recouvertes d’une couche de résine photosensible (Shipley SPR505A). La procédure expérimentale est résumée sur la figure 3.1. La couche de résine est déposée sur un substrat de Ni par la technique du « Spin Coating ». La présence d’un substrat métallique de haute réflexion provoque dans la couche de résine photosensible la formation d’une onde stationnaire avec un nœud de champ électrique tout près de la surface. Cela implique que les franges d’interférence après le développement de la résine photosensible deviennent des sillons non-complètement ouverts jusqu’à la surface métallique, empêchant la gravure chimique de la surface. Il est donc nécessaire d’augmenter la dose d’exposition pour que les sillons soient bien ouverts jusqu’au fond sans toutefois donner lieu à un ventre de champ dans la couche de résine. C’est la raison pour laquelle on a choisi une épaisseur de résine plutôt faible : 140 nm d’épaisseur. L’échantillon ainsi revêtu de résine photosensible est donc placé dans un interférogramme classique de type Mach-Zehnder alimenté par un laser He-Cd s-polarisé à 30 mW, émettant à 442 nm. Le transfert physique du réseau de la couche de résine dans la surface de nickel a été réalisé par gravure humide à l’aide d’une solution acide. Pour pouvoir amorcer la gravure, le Nickel exige un acide plus un oxydant. Ce liquide contient de l’acide nitrique dilué (HNO3). Une dilution de 10:1 donne une vitesse de gravure de 1 nm/sec. Une attention particulière a été accordée à la vérification de l’absence de toute contamination de la surface du nickel due à la préparation des échantillons. Généralement l’ensemble de l’opération se déroule en salle blanche afin d’éviter au maximum toute contamination des surfaces. Les périodes des réseaux vont de ΛG = 440 nm à 800 nm tous les 10 nm. La figure 3.2 représente une photo (sous éclairage naturel) de l’ensemble des échantillons (figure 3.2 (a)) et une image MEB d’un réseau (Figure 3.2 (b)).