Détecteurs de rayonnement X basé sur la Résonance de Plasmons de Surface (X-Ray Detectors Based on Surface Plasmon Resonance) J. Hastanin Défense de doctorat le 30 mars 09 PM 2009

Détecteur de rayonnement X Indicateur Transducteur Dispositif de lecture Rayonnement X Mécanismes de conversion du rayonnement X dans le transducteur Méthodes de lecture électroniques optiques Dilatation des matériaux Détecteurs micromécaniques Modification de permittivité diélectrique Détecteurs photoniques (classiques)

Transducteur micromécanique: Rappel: l’effet de bilame Substrat Cantilever bilame Mécanismes de dilatation Classique (thermomécanique) : Le cantilever se déforme (l’effet de bilame) Absorption et conversion de l’énergie du RX en chaleur Dilatation électronique (si l’une des couches du bilame est constituée d’un semi-conducteur ) Absorption du RX et génération des photoélectrons Contraintes mécaniques Effet de bilame

Transducteurs photoniques: Le rayonnement X absorbé modifie la permittivité diélectrique du matériau de l’absorbeur Substrat Semi-conducteur Substrat

Intérêt des méthodes optiques de lecture Avantages de la lecture optique en comparaison avec la lecture électronique: structure géométrique du pixel plus simple; grande fiabilité et robustesse du détecteur; réduction du bruit de lecture. Il n’y a pas de bruit de jonctions électriques Signal de lecture ne pénètre pas au sein de l’absorbeur (l’effet des fluctuations statistiques du signal de lecture est moindre) La lecture optique peut être réalisée par un faisceau lumineux impulsionnel, avec la durée d’un pulse inférieure au temps caractéristique de la réponse du transducteur Dans le cas de la détection bolométrique, le transducteur peut être réalisé sans partie métallique Cela permet de réduire la capacité calorifique du transducteur et les pertes de la chaleur Amélioration importante de la sensibilité du détecteur 5

Exemple: détecteur micromécanique de rayonnement Concept proposé: Lecture optique de l’état du transducteur par l’intermédiaire de l’effet SPR ( Résonance des Plasmons de Surface ) Exemple: détecteur micromécanique de rayonnement Rayonnement X Transducteur (p.ex.: un cantilever bilame) Couche plasmonique Source lumineuse Couplage optique Photodétecteur

Intérêt de lecture à effet SPR -résolution théorique de mesures des déplacements mécaniques est inférieure à 1 nm -résolution théorique de mesures des indices de réfraction est 10-5 -haute vitesse de lecture (le temps de vie des SPs est de quelques fs) -la lecture à effet SPR permet de réaliser des détecteurs matriciels de grandes dimensions

Rappel sur la théorie Résonance des Plasmons de Surface Quanta de l’oscillation corrélée de densité du liquide électronique sur la surface métallique On peut les exciter par une onde lumineuse évanescente Echange énergétique résonant Résultat: Petit coefficient de réflexion de surface métallique Observation:

Reflectivity θ Exemple: -excitation des plasmons de surface par une onde lumineuse en mode de réflexion totale interne Couche métallique Pic d’absorption 30-60nm Reflectivity Prisme θ θ θSPR

Réflectivité Réflectivité Forme et position du pic d’absorption varient en fonction du gap cantilever/substrat Cantilever Réflectivité Gap Angle d’incidence Réflectivité Épaisseur du gap

Transducteur micromécanique (bilame) On peut quantifier la flèche du cantilever à partir du coefficient de réflexion de l’interface plasmonique. Transducteur micromécanique (bilame) Couche plasmonique Source du faisceau lumineux Détecteur de l’intensité (de décalage de phase) du faisceau réfléchi

Dépôts des couches structurelles Mise en oeuvre Organigramme généralisée: Illustration: Dépôt de la couche sacrificielle Dépôts des couches structurelles Formation de structure 2D du pixel Gravure isotrope de la couche sacrificielle - Couche métallique (milieu de propagation des plasmons de surface) - Couche sacrificielle - Couche structurelle (transducteur) -Substrat