Absorber la lumière avec des nanocubes

Un métamatériau formé de nanocubes d'argent sur une surface d'or absorbe la lumière de façon optimale, et ouvre la voie à des panneaux solaires plus efficaces à moindre coût.

Comment mettre au point des panneaux solaires plus efficaces ? L'une des réponses est d'absorber au maximum la lumière incidente, que l'on convertit ensuite en électricité ou en chaleur. Pour ce faire, il faut optimiser les propriétés de réflexion et de transmission lumineuses du matériau utilisé. Un métal opaque permet d’éliminer la transmission, mais la réflexion est plus difficile à neutraliser. Une piste prometteuse est celle des métamatériaux. Antoine Moreau, de l’Université Blaise Pascal à Clermont-Ferrand, et ses collègues de l'Université Duke aux États-Unis, ont conçu des métamatériaux très peu réfléchissants en utilisant des nanocubes d’argent.

L’idée consiste à modifier la surface d’un matériau en y dessinant un motif à l'échelle nanométrique, qui en altère les propriétés optiques. De tels motifs sont souvent gravés par des techniques de lithographie, mais ces dernières, lentes et coûteuses, ne permettent pas de traiter de grandes surfaces. A. Moreau et ses collègues ont utilisé une technique plus simple, qui consiste à disperser de façon aléatoire des nanocubes d’argent sur une mince couche d’or. Les nanocubes, de 74 nanomètres de côté environ, peuvent être fabriqués en grande quantité par des processus chimiques. De taille inférieure aux longueurs d’onde de la lumière visible – entre 300 et 700 nanomètres –, ces nanocubes sont capables de piéger cette dernière. Comment ?

Entre la couche d’or et les nanocubes, les chercheurs ont placé un film de polymère isolant de quelques nanomètres d’épaisseur. L’espace créé entre les cubes et la couche d’or est crucial dans le phénomène d’absorption. En effet, la lumière incidente fait vibrer les électrons des nanocubes, qui se comportent comme de petites antennes et émettent une excitation, ou plasmon, vers la couche d'or. L’espace entre les nanocubes d'argent et la couche d'or agit comme une cavité résonante. L’énergie de la lumière incidente reste confinée dans cet espace et finit par se dissiper dans la couche d’or. Le dispositif absorbe principalement une longueur d’onde bien définie, que l'on peut moduler en jouant sur l’épaisseur de la couche de polymère et sur la taille des nanocubes.

En couvrant ainsi 7,3 pour cent de la surface d'or avec des nanocubes, les chercheurs ont réussi à réduire la réflexion lumineuse de plus de 50 pour cent, pour une longueur d’onde proche de 650 nanomètres. Avec 17,1 de la surface couverte par des nanocubes, la réflexion n’est plus que de 7 pour cent de celle de la couche d’or seule. L’épaisseur optimale de la couche de polymère est de cinq nanomètres.

Ce dispositif de principe peut encore être amélioré. Un substitut au polymère pourrait se révéler utile, celui-ci ne résistant peut-être pas à des utilisations à haute température. Et en s'assurant que les nanocubes fabriqués ont bien tous la même taille, on pourrait cibler plus précisément la longueur d’onde absorbée. Une couverture de trois pour cent pourrait alors suffire. À l'inverse, faire varier les formes des « nanocubes » diversifierait les propriétés absorbantes.

Les applications potentielles sont nombreuses. Outre les panneaux solaires et les capteurs photosensibles, ce procédé permet de modifier la couleur d’une surface – l’or prend une teinte verte par l’absorption du rouge à 650 nanomètres –, ou de concevoir des écrans d’un nouveau type, où un champ électrique contrôlerait la distance des nanocubes à la couche métallique.