Dissertationen zum Thema „Nanoantenne plasmonique“

Nous étudions l'interaction lumière-matière d’un nanocristal CdSe/CdS individuel et une antenne patch plasmonique. Les études réalisées dans le cadre de ce travail peuvent être visualisées en deux parties. En première, nous avons caractérisé les propriétés de photoluminescence d'un nanocristal individuel en termes de la dynamique et la spectroscopie à différents conditions d’excitation. Les nanocristaux semi-conducteurs sont des sources de photon-unique à température ambiante. Néanmoins, l’émission multi-excitonique de ces émetteurs est possible lorsque la recombinaison de deux ou plus excitons devient radiative. Nous avons développé un modèle analytique qui permet de décrire le nombre de photons émis en fonction du nombre moyen d’excitons créés par une impulsion laser. Le modèle nous a permis d'estimer le rendement quantique de la transition bi-excitonique. La deuxième partie est consacrée à l'optimisation d’un protocole de fabrication d’antennes patch. Nous avons établi un protocole de lithographie optique qui permettre de coupler un nanodisque d’or avec un nanocristal individuel de manière déterministe. En première temps, nous avons fabriqué antennes passives afin d'analyser les propriétés de réflectivité de la structure, puis nous avons fabriqué des antennes couplées à une boite quantique. Nous avons montré la modification de l’émission spontanée due au couplage avec l’antenne. Nous avons mis en évidence une émission super-poissonnienne de l’antenne après un filtrage temporel, ainsi que l’émission de lumière partialement cohérente
In this thesis, we exploit light-matter interaction between a single semiconductor CdSe/CdS nanocrystal and a plasmonic patch antenna. This work can be divided in two main parts. We have first characterized the photoluminescence dynamics and spectroscopic signatures of single nanocrystals at different excitation powers. High quality CdSe/CdS nanocrystals are single-photon sources at room temperature. Nevertheless, multiexcitonic emission occurs when two or more excitons are recombining radiatively. We have developed an analytical model which describes the number of photons emitted by a nanocrystal as a function of the mean number of excitons created in one excitation pulse. With this model, we can calculate the quantum efficiency of the bi-exciton recombination. The second part is devoted to the development and optimization of an optical lithography protocol for patch antennas. We have stablished a protocol that allows us to couple a thin Au nano-disk above a single nanocrystal in a deterministic way. We have first fabricated passive nanoantennas in order to study reflectivity spectroscopic properties in the plasmonic structure. Later on, we have fabricated several active patch nanoantennas coupled with single CdSe/CdS nanocrystals. We have demonstrated the acceleration of spontaneous emission thanks to the coupling with the plasmons nanodisk. For some antennas, we have evidenced a super-poissonian emission signature when a post-processing temporal filter is applied. Finally, we have evidenced the emission of light partially coherent of one antenna in the proximity of the metallic square edge

Les molécules de diaryléthène utilisées comme interrupteurs moléculaires sont envisagées comme composants de dispositifs électroniques moléculaires. Ces molécules photochromiques présentent une stabilité thermique, une résistance à la fatigue et une efficacité de commutation élevées. Néanmoins, la commutation de la plupart des diaryléthènes (DAEs) est asymétrique : leur réaction de photocycloréversion possède un rendement quantique bien inférieur à celui de leur réaction de photocyclisation. Une stratégie pour résoudre ce problème de commutation asymétrique a été testée, elle consistait à connecter les molécules de diaryléthène à des nanoparticules d'or (AuNPs). En effet, les nanoparticules d'or présentent à la fois une résonance plasmonique de surface localisée (LSPR), très utile pour le suivi de l'adsorption des DAEs à la surface des AuNPs, et un effet de nanoantenne plasmonique. Cet effet de nanoantenne, générant une importante amplification du champ électromagnétique au voisinage immédiat de la nanoparticule, devait augmenter l'efficacité de la réaction de photocycloréversion (son rendement quantique), conduisant à une commutation plus symétrique. La commutation des molécules de dithiényléthène (DTE) a d'abord été caractérisée pour les molécules seules en solution. Ensuite, la fonctionnalisation de nanoparticules d'or de 28 nm déposées sur ITO par les molécules de DTE a été suivie in situ par spectroscopie UV-visible. Les mesures de commutation sur les échantillons ITO/AuNPs/DTE ont été réalisées par spectroscopie UV-visible combinée à un dispositif d'irradiation. Il en est résulté que pour les molécules de diaryléthène choisies pour cette étude connectées à des AuNPs de 28 nm, bien que la capacité de commutation ait été préservée lors du greffage sur les AuNPs, le piégeage (« quenching ») était largement dominant. Par conséquent, un ralentissement des réactions photo-induites a été provoqué et non une accélération. Les nanoparticules d'or ont également été étudiées à l'échelle de la nanoparticule unique par AFM et hypermicroscopie (microscopie en champ sombre couplée à la spectroscopie UV-visible). D'une part, la fonctionnalisation de nanoparticules d'or individuelles de 51 nm a été suivie par hypermicroscopie. Des mesures de commutation ont ensuite été effectuées sur les molécules de diaryléthènes portées par les AuNPs uniques, révélant que cette commutation était comparable à celle précédemment mesurée à une échelle plus globale. D'autre part, des dimères plasmoniques asymétriques constitués d'un AuNP de 51 nm et d'un AuNP de 28 nm ont été préparés et caractérisés
Diarylethene molecules used as molecular switches are envisioned as components of molecular electronic devices. These photochromic molecules exhibit high thermal stability, resistance to fatigue, and switching efficiency. Nevertheless, the switching of most diarylethenes (DAEs) is asymmetric: their photocycloreversion reaction possessing a much lower quantum yield than that of their photocyclization reaction. A strategy to solve that asymmetric switching issue was tested, it consisted in connecting the diarylethene molecules to gold nanoparticles (AuNPs). Indeed, gold nanoparticles exhibit both a localized surface plasmon resonance (LSPR), very useful for the monitoring of the adsorption of the DAEs at the surface of the AuNPs, and a plasmonic nanoantenna effect. This nanoantenna effect, generating a large enhancement of the electromagnetic field in the close vicinity of the nanoparticle, was expected to increase the efficiency of the photocycloreversion reaction (its quantum yield), leading to a more symmetric switching. The switching of the dithienylethene (DTE) molecules was first characterized for the molecules alone in solution. Then, the functionalization of 28 nm gold nanoparticles deposited on ITO by the DTE molecules was monitored in situ by UV-visible spectroscopy. Switching measurement on the samples ITO/AuNPs/DTE were performed by UV-visible spectroscopy combined with an irradiation set-up. It resulted that for the diarylethene molecules chosen for this study connected to 28 nm AuNPs, although the switching capacity was preserved upon grafting on the AuNPs, the quenching was largely dominant. As a consequence, a slowing of the photo-induced reactions was caused and not an acceleration. Gold nanoparticles were also studied at the unique nanoparticle scale by AFM and hypermicroscopy (dark field microscopy coupled to UV-visible spectroscopy). On the one hand, the functionalization of individual 51 nm gold nanoparticles was monitored by hypermicroscopy. Switching measurements were then conducted on the diarylethenes molecules beard by single AuNPs, revealing that this switching was comparable to the one previously measured on a more global scale. On the other hand, asymmetric plasmonic dimers made of a 51 nm AuNP and a 28 nm AuNP were prepared and characterized

Dans ce travail de thèse, on s’intéresse aux applications des concepts d’antenne pour la manipulation de la lumière. Aux fréquences optiques, les antennes métalliques font intervenir des modes de surfaces dit plasmoniques permettant une forte interaction lumière/matière dans des volumes hautement confinés. Pour tirer partie de cette propriété, on s’intéressera à trois applications des antennes plasmoniques. D’abord dans le cadre des sources de photons uniques, on présentera une étude théorique et expérimentale des performances d’émetteurs uniques en présence d’une antenne planaire métallique. Nous proposerons ensuite une stratégie pour améliorer les performances de l’antenne. Puis dans le cadre de la génération électrique de lumière par effet tunnel inélastique, on analysera la modification des propriétés de rayonnement en présence d’un petit cylindre métallique. Cette analyse ouvre la voie à la conception de sources électriques intégrées de plasmons de surface. Enfin dans le cadre de la détection de molécules en faible quantité, on étudiera théoriquement l’interaction d’un faisceau infrarouge avec une couche de molécules résonnantes déposées sur un miroir métallique nanostructuré
The work of this thesis has been devoted to a few applications of antenna concepts for the manipulation of light. In the optical range, surface modes called surface plasmon polaritons take place in the vicinity of metallic antennas, enabling a strong light/matter interaction within highly confined volumes. In order to take advantage of this property, three applications of plasmonic antennas will be investigated. First, in the case of single-photon sources, both theoretical and experimental studies of single-emitters performance when coupled to a planar metallic antenna will be presented. A strategy to enhance its performance will be studied theoretically. Then, in the case of electrical generation of light by inelastic electron tunneling, we will analyse the modification of radiation properties close to a metallic nano-rod. This analysis paves the way towards the design of integrated, compact electrical sources of surface plasmons. Finally, in the case of detecting a weak quantity of molecules, the interaction between an infrared light beam and a sub-nanometric layer of resonant molecules deposited on a nanostructured metallic mirror will be studied

La détection de molécules chirales à l'aide de résonateurs plasmoniques est un domaine de recherche prometteur pour améliorer la sensibilité et la flexibilité de la détection. Cette approche vise à surmonter les limitations des méthodes conventionnelles, telles que la méthode chiroptique, qui présente des limitations en termes de sensibilité. Les résonateurs plasmoniques sont capables d'interagir de manière résonante avec la lumière, ce qui permet d'augmenter le couplage entre les molécules chirales et la lumière, tout en offrant un contrôle sur les propriétés de polarisation de la lumière. Les avancées récentes dans ce domaine ont porté sur la création de surfaces nanostructurées chirales avec des résonateurs spécifiques, mais le mécanisme sous-jacent à la réponse différentielle des biomolécules à la lumière polarisée circulairement reste mal compris. Dans le cadre de ce projet de doctorat, l'approche novatrice consiste à utiliser des nanostructures achirales anisotropes, telles que des nanoslits, pour interagir avec des molécules chirales. Ces nanostructures achirales offrent l'avantage de pouvoir inverser le signe du dichroïsme circulaire en contrôlant la polarisation incidente ou le sens de propagation de la lumière. En manipulant les symétries du champ électromagnétique à proximité des résonateurs, il devient possible d'étudier plus en détail le couplage électromagnétique entre les biomolécules chirales et les nanorésonateurs. Le projet vise à développer des nanorésonateurs plasmoniques innovants, basés sur des nanoslits, qui seront fonctionnalisés pour détecter des biomolécules chirales. Contrairement aux résonateurs chiraux, les résonateurs achiraux peuvent générer des signes de champs chiraux, offrant ainsi une grande flexibilité dans la détection. Le travail comprend la caractérisation et la compréhension de l'origine des champs chiraux, ainsi que des méthodes pour les rendre homogènes. Une partie de la recherche se concentre sur la conception d'une source de lumière superchirale pure à l'aide de nanoslits, qui peut être accordée en longueur d'onde et en polarisation. Dans cette perspective, des méthodes expérimentales sont présentées, notamment l'utilisation de la fluorescence détectée par dichroïsme circulaire (FDCD) pour les molécules sensibles aux énantiomères. Pour la réalisation de ces expériences, des résonateurs plasmoniques avec une résonance à 680 nm ont été choisis, correspondant à la bande d'absorption chirale de LHCII. Une idée intéressante consiste à bloquer le faisceau d'excitation pour ne recueillir que l'émission des molécules chirales, en étudiant les résonances des ouvertures dans une couche d'or opaque. En résumé, ce projet de doctorat vise à exploiter les avantages des nanostructures plasmoniques achirales pour améliorer la détection des molécules chirales en offrant une plus grande flexibilité dans la manipulation de la polarisation de la lumière et en explorant de nouvelles méthodes expérimentales pour cette détection
The detection of molecules based on fluorescence or Raman scattering has been widely studied and is currently used in industry and laboratories. However, many organic molecules of interest are chiral, and their chemical and biological properties depend on their enantiomer as well as on the chirality of their secondary structure. The quantity and chirality of biomolecules are classically determined by measuring the differential absorption between the two opposite circular polarizations (chiroptic method). However, this method is limited by the low differential absorption of chiral molecules, which is of the order of 10-3 in the UV part of the spectrum. Plasmonic resonators have the ability to resonantly interact with light and are characterized by a moderate quality factor and a low effective volume. This resonant interaction allows (i) to increase the coupling between molecules and light and (ii) to control the polarization properties of light. So far, the latest advances concern the implementation of nanostructured chiral surfaces with gammadion-type resonators or stacked twisted resonators that interact preferentially with a given helicity of light. However, the mechanism behind the differential response of biomolecules coupled to chiral resonators to circularly polarized light is still unclear, preventing the optimization of such detection. Moreover, in the research published so far, two different chiral sensors are needed to interact with right- and left-handed circularly polarized light, which requires complex calibration procedures. During the course of my PhD, I have studied the use of anisotropic achiral nanostructures to interact with chiral molecules. Indeed, they have the significant advantage over chiral nanostructures of changing the sign of the circular dichroism by controlling the incident polarization or the direction of propagation. Indeed, the symmetries of the electromagnetic field in close proximity to the resonators can be manipulated at will by changing illumination conditions hence providing a unique tool for studying the origin of the electromagnetic coupling between chiral biomolecule and nanoresonators. Consequently, in my PhD project I propose to use plasmonic nanoresonators to increase the light - “chiral matter” interactions in order to detect and study chiral molecules. I will use the concept of achiral plasmonic nanostructures (nanoslits) to develop innovative nanoresonators that will be used, once functionalized, to detect chiral biomolecules with enantiomer sensitivity. Indeed, achiral resonators can generate both signs of chiral fields as opposed to chiral resonators which would make their use very flexible. This work implies characterizing, describing and understanding the origins of chiral fields and how to make them homogeneous. Through the study of nanoslits, I demonstrate numerically and theoretically how to design a nanosource of pure superchiral light, free of any background and for which the sign of the chirality is tunable on-demand in wavelength and polarization. In the perspective, I will present experimental methods that could monitor the CD via fluorescence emission (FDCD for Fluorescence Detected Circular Dichroism) in the case of light harvesting molecules for molecules that need to be excited in the UV, autofluorescence may be used in conjunction with aluminum resonators. Without loss of generality, these considerations lead to the decision of investigating plasmonic resonators with resonance at 680 nm which correspond to the chiral absorption band of LHCII. The idea of blocking the excitation beam to collect only the emission of the chiral molecules leaded to the idea of investigating the resonances of openings in an opaque layer of gold

Le magnétisme induit par la lumière décrit l'effet par lequel un matériau est magnétisé par une impulsion optique. Dans les matériaux transparents, la magnétisation induite optiquement peut être réalisée directement par la lumière polarisée circulairement. Parfois, dans les matériaux métalliques, ce type de magnétisation existe également en raison du trajet solénoïdal microscopique des électrons entraînés par la lumière polarisée circulairement. Dans certains cas, la lumière crée des courants de dérive continus circulants macroscopiques, qui induisent également une magnétisation continue dans le métal. De manière générale, ces magnétismes induits par la lumière sont connus sous le nom d'effet Faraday inverse. Dans le projet de doctorat, j'ai étudié les courants de dérive induits par la lumière dans plusieurs nanoantennes en or. Nous avons réalisé des champs magnétiques stationnaires amplifiés plasmoniquement grâce à ces courants de dérive. L'étude est basée sur la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD) et les théories correspondantes du magnétisme induit par la lumière. Dans différents sujets de recherche, nous avons réalisé : 1) un champ magnétique stationnaire ultra-rapide, confiné et fort dans une nanoantenne en forme d'œil de taureau. 2) Un champ magnétique stationnaire à travers une polarisation linéaire dans un nanorod. 3) Un skyrmion de type Neel construit par un champ magnétique stationnaire dans un nanoring. Dans ces études, nous avons examiné les propriétés optiques de différentes nanoantennes et expliqué l'origine physique des courants de dérive induits par la lumière et des champs magnétiques stationnaires. Nous avons démontré la méthode pour obtenir des effets Faraday inverses amplifiés plasmoniquement et exploré la possibilité de réaliser une magnétisation par la lumière incidente polarisée linéairement. Enfin, nous avons étendu l'effet Faraday inverse à d'autres domaines de recherche physique, tels que la construction de skyrmions par des champs magnétiques stationnaires à travers l'effet Faraday inverse. L'effet magnétique de la lumière reste un domaine de recherche riche. Mes études pourraient trouver des applications dans de nombreux domaines, y compris les matériaux et dispositifs magnéto-optiques, le stockage de données optiques, les applications biomédicales, la spintronique, l'informatique quantique, la recherche fondamentale en électromagnétisme et la recherche sur les matériaux avancés
Light-induced magnetism describes the effect where a material is magnetized by an optical pulse. In transparent materials, optically-induced magnetization can be realized directly by circularly polarized light. Sometimes, in metallic materials, this type of magnetization also exists due to the microscopic solenoidal path of electrons driven by circularly polarized light. In some cases, the light creates macroscopic circulating DC drift currents, which also induce DC magnetization in metal. In a broad sense, these light-induced magnetisms are known as the inverse Faraday effect.In the PhD project, I studied light-induced drift currents in multiple gold nanoantennas. We realized plasmonically enhanced stationary magnetic fields through these drift currents. The study is based on the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method and the corresponding light-induced magnetism theories. In different research topics, we have realized: 1) an ultrafast, confined, and strong stationary magnetic field in a bull-eye nanoantenna. 2) A stationary magnetic field through linear polarization in a nanorod. 3) A Neel-type skyrmion constructed by a stationary magnetic field in a nanoring. In these studies, we examined the optical properties of different nanoantennas and explained the physical origin of light-induced drift currents and stationary magnetic fields. We demonstrated the method to achieve plasmonically enhanced inverse Faraday effects and explored the possibility of realizing magnetization through linearly polarized incident light. Finally, we extended the inverse Faraday effect to more physical research areas, such as constructing skyrmions by stationary magnetic fields through the inverse Faraday effect.The magnetic effect of light remains a rich area of research. My studies might find applications in many areas, including magneto-optical materials and devices, optical data storage, biomedical applications, spintronics, quantum computing, fundamental research in electromagnetism, and advanced materials research

L ’intérêt des nano-particules pour le domaine de l ’optique visible a été suscité lors du premier rapport rédigé par Faraday en 1857 et qui a initié les bases de la production de nanoparticules métalliques en vue de leur propriété optiques inattendues (coloration des solutions). Plus récemment, le contrôle et le guidage de la lumière basés sur l’excitation de résonance plasmon dans les nanostructures a permis beaucoup d’applications liées à la vie quotidienne et impliquant la lumière. La résonance plasmonique de structures métalliques estun phénomène essentiel qui conduit à des propriétés optiques uniques à travers l’interaction de la lumière avecles électrons libres du métal. L’excitation de la résonance plasmon localisé (LSPR) permet d’exalter localement l’énergie électromagnétique comme dans le cas des nano-antennes mais aussi d’acheminer la lumière à travers des canaux de dimensions sub-l sur de grandes distances distances grâce à l’excitation du Plasmonde Surface Propagatif (PSP). Au cours de cette thèse, nous avons étendu un algorithme existant afin de calculer la réponse optique (sections efficaces de diffusion et d’absorption) de NPs ayant une forme géométrie quelconque. Ce type de NP anisotrope (vis-à-vis de la polarisation incidente) peut présenter à la résonance plasmonique une section efficace de diffusion 25 fois supérieure à celle géométrique. De plus, une étude systématique importante a été effectuée afin d’optimiser la géométrie de tels Nps.En ce qui concerne la PSP qui est impliqué dans la transmission exaltée à travers les matrices d’ouvertures annulaires AAA, nous avons entrepris une étude systématique des propriétés de l’excitation du mode particul particulier sans coupure de ces nano - guides. Il s’agit du mode Transverse Electrique et Magnétique (TEM). Une étude numérique complète est alors effectuée pour correctement concevoir la structure avant qu’elle ne soit expérimentalement fabriquée et caractérisée. Pour palier certaines contraintes expérimentale, une structure inclinée est proposée et étudiée dans le cas d’un métal parfaitement conducteur. Nous avons démontrée numériquement et analytiquement certaines propriétés intrinsèques de la structure montrant un coefficient de d’au moins 50% d’un faisceau incident non polarisé indépendamment des conditions d’éclairage (polarisation,angle et plan d’incidence). Lorsque le mode TEM est excité, le flux laminaire de l’énergie à travers la structure présente une déviation géante sur de très petites distances inférieures à la longueur d’onde. Les résultats présentés dans cette thèse pourraient être considérés comme une contribution importante à la compréhension du phénomène de transmission exaltée basé sur l’excitation de ce type de mode guidé
The release of the rst report by Faraday in 1857 set the foundation of the production of metal nanoparticlesand their unexpected optical properties (coloring). More recently, controlling and guiding light via plasmonicresonance in nanostructures enable a lot of applications affecting everyday life that involves light. Plasmonresonance of metallic structures is a key phenomenon that allows unique optical properties through the interactionof light with the free electrons of the metal. The excitation of Localized Surface Plasmon Resonance(LSPR) leads to turn-on large local enhancements of electromagnetic energy as within antennas or to routelight as waveguide to desired region with high transmission through the excitation of Propagating SurfacePlasmon (PSP). During this thesis, we have developed an existing algorithm in order to calculate the opticalresponse of NPs of any shape. We have especially determined the localized energy enhancement factor interm of optical response of nano-antenna. This anisotropic (polarization dependent) NPs type can feature, atplasmon resonance, scattering efciency factor higher than 25. Moreover, an important systematic study hasbeen performed in order to optimize design of such NPs.Concerning the PSP that are involved in the enhanced transmission through Annular Aperture Arrays (AAAs),we systematically study the properties of the excitation of the peculiar Transverse ElectroMagnetic (TEM) guidedmode inside such nano-apertures. A complete numerical study is performed to correctly design the structurebefore it is experimentally characterized. For reasons associated to fabrication constraints and efciency,a slanted AAA made in perfectly conducting metal is proposed and studied. We numerically and analyticallydemonstrate some intrinsic properties of the structure showing a transmission coefcient of at least 50%ofan un-polarized incident beam independently of the illumination configuration (polarization, angle, and planeof incidence). At the TEM peak transmission, the laminar flow of the energy through the structure can exhibitgiant deviation over very small distances ( ). The results presented in this thesis could be considered as animportant contribution to the understanding of the enhanced transmission phenomenon based on the excitationof guided modes

Les antennes optiques sont des structures qui permettent de convertir, dans les deux sens, l'énergie électromagnétique entre un faisceau lumineux et une source (ou un absorbeur) localisée en son sein. L'utilisation de résonateurs de taille inférieure à la longueur d'onde permet de réaliser cette fonction de manière efficace, sur une bande spectrale relativement étendue, et d'avoir une antenne compacte.La bonne connaissance des propriétés optiques de ces résonateurs, pris séparément, et de leurs couplages entre eux, est nécessaire pour pouvoir proposer des designs d'antenne efficaces.Dans cette thèse, en se basant sur la décomposition multipolaire des champs et sur la méthode de la matrice-T, on obtient des solutions analytiques rigoureuses pour des résonateurs sphériques et homogènes, dont on tire des modèles simplifiés, intuitifs, et proches de la solution exacte des équations de Maxwell.Entre autre résultats, ces modèles nous ont permis de proposer un design d'antenne optique compacte, directive, à taux de désexcitation et rendement quantique élevés en utilisant une structure hybride métal-diélectrique. Des collaborations avec des expérimentateurs ont permis de valider, d'une part les caractéristiques de chromophores auto-assemblés par ADN (S. Bidault à Paris), et d'autre part, la possibilité d'utiliser plusieurs résonances électriques et magnétiques combinées (supportées par des sphères diélectriques d'indice modéré, n=2,45) pour réfléchir ou bien collecter le rayonnement d'un émetteur dipôle électrique placé à proximité (expérience menée dans le régime micro-ondes par R. Abdeddaim et J-M. Geffrin)
Optical antennas are structures able to convert, in both ways, electromagnetic energy between a light beam and a source (or absorber) placed in the structure. The use of sub-wavelength resonators enables one to realize this function in an efficient way, on relatively broad bandwidths, and to have a compact design. A good understanding of the optical properties of such resonators, taken individually, and of their couplings, is thus necessary in order to propose efficient optical antenna designs. In this manuscript, using a multipole decomposition of the fields and a T-matrix method, we obtain rigorous analytical solutions for spherical, homogeneous resonators, from which we deduce simplified, intuitive models that are still very close to the exact resolution of the Maxwell equations.Among other results, those models enabled us to propose a nanoantenna design that is at once compact, radiative and efficient, by using a hybrid metallo-dielectric structure. Some collaborations with experimental groups enabled us to validate, on the one hand, the optical characteristics of hybrid chromophores that are self-assembled using a DNA template (S. Bidault, Paris), and on the other hand, the possibility of using multiple combined electric and magnetic resonances (supported by dielectric spheres of moderate refractive index, n=2.45) in order to reflect, or more importantly collect, radiation coming from an electric dipole emitter placed nearby (the experiment was realized in the microwave regime by R. Abdeddaim and J-M. Geffrin)

Dans ce travail de these, nous étudions comment des nano-structures métalliques modifient le processus d'émission spontannée d'objets fluorescents et jouent ainsi un rôle d'antenne. Ces structures supportent des modes optiques confinés aux interfaces metal-diélectrique: ce sont des modes plasmoniques.De par leur fort confinement, ces modes modifient la densité locale d'états optiques et permettent notamment d'accélérer le processus d'émission spontannée (facteur de Purcell). Nous étudions le cas d'une structure planaire metal-isolant-métal de type patch couplée à un ensemble de nanocristaux colloïdaux fluorescents. Nos mesures, soutenues par des calculs numériques, montrent une acceleration de l'émission fluorescente d'un facteur 80 ainsi qu'une augmentation de la directivité de l'émission. Nous décrivons ensuite le procedé de fabrication d'une structure patch metal-semiconducteur-métal pour laquelle la source fluorescente est un puits quantique émettant dans le proche infra-rouge. Nous montrons que l'antenne permet d'augmenter l'extraction fluorescente d'un facteur 8. Enfin, nous considérons le cas d'une structure sphérique composée d'un unique nanocristal fluorescent au centre d'une bille de silice entourée par une fine coquille métallique. Cette structure plasmonique accélère l'émission d'une facteur 10 et permet de supprimer le scintillement caractéristique de l'émission des nanocristaux. La coquille métallique permet également d'isoler chimiquement le nanocristal de l'environnement, assurant ainsi une grande photostabilité et une toxicité réduite. L'émetteur ainsi obtenu est donc un candidat prometteur pour des applications de marquage de fluorescence in-vivo.

L’imagerie infrarouge refroidie est portée par une demande forte pour des applications dans les secteurs militaire, industriel et spatial. Les enjeux actuels de ce marché sont le fonctionnement à haute température et la fonctionnalisation spectrale des détecteurs.Ces enjeux peuvent être adressés grâce à l’utilisation de résonateurs optiques et leur faculté à concentrer le champ électromagnétique. Ce travail de thèse montre comment des résonateurs plasmoniques peuvent être intégrés dans la filière HgCdTe.La théorie temporelle des modes couplés a été utilisée, de manière analytique, pour optimiser à travers la condition de couplage critique, l’absorption dans un résonateur plasmonique chargé par un semiconducteur. La conception d’une photodiode HgCdTe ultramince plasmonique est ensuite détaillée. Elle repose sur l’utilisation d’un mode optique résultant du couplage entre un mode plasmon de surface et un mode gap plasmon de cavité
The market for cooled infrared imaging technologies is growing fast due to a range of applications covering military, commercial and space. Current research for innovative systems focuses on high operating temperature and multispectral detectors.To achieve these aims, optical resonators can be used to concentrate electromagnetic fields in thin absorbing media. This thesis investigates the possibility of using plasmonic resonators for HgCdTe photodetection.Temporal coupled-mode theory is used to optimise analytically the absorption in a plasmonic resonator incorporating an absorbing semiconductor subject to the critical coupling condition. A design of a thin plasmonic HgCdTe diode is then described. This includes a hybrid plasmonic mode arising from the coupling between a surface plasmon and a cavity gap-plasmon mode

Le transfert d'énergie par résonance de type Förster (FRET) permet de mesurer des distances nanométriques grâce à la dépendance critique de l'efficacité du transfert avec la séparation entre un donneur et un accepteur d'énergie. Le phénomène se produit quand le fluorophore donneur dans l'état excité transfère son énergie d'excitation à un accepteur à proximité de façon non-radiative avec une interaction dipôle-dipôle de champ proche. Les structures nanophotoniques sont capables de contrôler cette interaction grâce à la modification de la densité local d'états électromagnétiques (LDOS) d'un émetteur quantique. Nous avons démontré clairement l'exaltation du transfert d'énergie des paires FRET individuelles sous l'influence des nano-ouvertures percées en or et en aluminium et aussi à l'aide des designs plus complexes comme la `` antenna-in-box ". Notamment, nous avons dévoilé l'importance essentielle de l'orientation relative entre les dipôles sur les possibilités d'exaltation du transfert d'énergie par le biais des nanostructures. Également, nous avons utilisé des nanofils en argent pour démontrer un transfert d'énergie de long-distance entre deux nanoparticles séparées de plus d'un micromètre. Nos résultats éclairent le chemin de l'exploration du FRET, qui est largement utilisé dans les sciences du vivant et la biotechnologie. Les nanostructures optiques ouvrent de plus des perspectives d'applications innovantes pour la construction de biocapteurs, de sources de lumière ou dans l'industrie photovoltaïque
The technique of Förster resonance energy transfer (FRET) determines the separation between two molecules at the nanometer scale, where molecular interactions can take place. The phenomenon requires a donor fluorophore transferring its energy in a non-radiative way, through a near-field dipole-dipole interaction, to an acceptor. Nanophotonics achieves accurate control over these interactions by modifying the local density of optical states (LDOS) of a single quantum emitter. We have clearly demonstrated enhanced energy transfer within single FRET pairs confined in single nanoapertures made of gold and also aluminum or in more complex structures like the antenna-in-box design. In particular, we have revealed the strong influence of the mutual dipole orientation on the FRET enhancement using nanostructures. Also, by means of silver nanowires, we have demonstrated a long-range plasmon-mediated fluorescence energy transfer between two nanoparticles separated by micrometer distance. Our results are clearing a new path to improve the energy transfer process widely used in life sciences and biotechnology. Optical nanostructures open up many potential applications for biosensors, light sources or photovoltaics

L'objet de cette thèse est le couplage entre des nanocristaux luminescents et des nanostructures métalliques. Ces structures présentent nombre d'intérêts dans un large panel d'applications de par l'apparition de modes électromagnétiques de surface (dénommés plasmons) que l'on contrôle via la géométrie de ces structures. Dans cette thèse, j'étudie deux types de nanostructures métalliques différentes : les plasmons « long-range» et les nanoantennes plasmoniques.Dans un premier temps je me suis intéressé à une géométrie qui couple deux plasmons propagatifs en deux modes hybrides au travers d'une fine couche de métal pour former des plasmons à forte longueur de propagations. En couplant des nanocristaux luminescents à ces modes, la répartition en énergie de l'émission dans les différents canaux de désexcitation disponibles a été étudiée. J'ai aussi montré que le métal pouvait augmenter leur taux d'émission spontanée d'un facteur 1,7. La contribution non négligeable des modes de guide conventionnels à l'émission dans ces structure a également été mise en évidence.Dans un second temps, j'ai étudié la potentielle utilisation de nanoparticules métalliques comme nanoantennes pour exalter et rediriger l'émission spontanée. La structure sera composée d'un dimère métallique créant un «point chaud » placé à proximité d'un plot métallique permettant la redirection. Des calculs FDTD montrent qu'une géométrie en pilier permet à la fois des pertes faibles (<10%), une forte augmentation de la cadence d'émission(>x80), une redirection de la lumière et ouvre la possibilité de multiplexage directif en longueur d'onde de l'information. Ces structures présentent l'avantage d'être compatibles avec les techniques modernes d'élaboration en couche mince. Des réalisations préliminaires ont alors été présentées
The object of this thesis is the coupling between luminescent nanocristals and metallic nanostructures. These structures show numerous interest in a large variety of applications thanks to the apparition of electromagnetic surface wave known as plasmons whose properties are tailored with the geometry of these structures. In this thesis, two types of geometry will be adressed : the long-range plasmons, and plasmonic nanoantennas. In a first time, the study focuses on a geometry in which two propagative surface plasmons are coupled through a thin metal film; creating a new type of plasmons with extended propagation lenghts. By coupling the emission of nanocristals in such a geometry, the energy repartition in the different desexcitation channels available has been adressed. The viccinity of the metal has also proved to increase the spontaneous decay rate up to 1.7. The non trivial contribution of conventional waveguide modes has also been demonstrated. In a second time, the potential of using metallic nanoparticles in a pillar geometry as nanoantennas to enhance and redirect the spontaneous emission has been investigated. The structure is composed of a metallic dimer creating a hotspot on top of which another metallic nanoparticles has been placed. FDTD simulations has shown that this kind of geometry can lead to few loss (<10%), a strong enhancement of the emission rate (>x80), a redirection of the emission and paves the way to wavelenght multiplexing possibilities. Besides, these structures present the advantage to be compatible with modern thin film elaboration techniques. Preliminary realisations have then been introduced

Dans cette thèse, nous étudions les caractéristiques de diffusion de nanostructures plas- moniques tout en adaptant et améliorant l'holographie hétérodyne numérique, qui est une technique d'imagerie plein champ pour mesurer en trois dimensions le diagramme de rayonnement. En outre, nous avons effectué de nombreuses mesures spectroscopiques pour enregistrer les spectres de diffusion de nanoobjets uniques. Afin d'obtenir une com- préhension plus profonde des caractéristiques du champ diffusé que nous mesurons, nous avons développé un modèle numérique basé sur la méthode des éléments finis. Ce modèle nous a permis de simuler le champ proche et le champ lointain d'une nanostructure avec une onde incidente en réflexion ou en transmission. Nous obtenons un excellent accord entre nos résultats expérimentaux et calculés. Dans cette thèse, nous avons étudié de nombreux nanostructures d'or fabriquées sur du verre par lithographie électronique. Des structures simples nous ont permis de valider la technique. Des objets plus sophistiques nous ont ensuite permis de constater que leur di- agramme de diffusion est extrêmement sensible aux facteurs externes et internes, tels que la polarisation et la longueur d'onde de la lumière incidente ou la géométrie de la struc- ture et sa longueur d'onde de résonance. En outre, nous montrons que la technique de l'holographie hétérodyne photothermique mesure directement l'augmentation de la tem- pérature, et ainsi, se présente comme une nouvelle méthode pour étudier la distribution de la chaleur dans des nanostructures plasmoniques.

Le travail présenté dans ce manuscrit a permis de mettre en lumière les différentes possibilités menant à l'optimisation de l'efficacité de capteurs basés sur la résonance de plasmons de surface localisé (RPSL) et fabriqués par des techniques contrôlant précisément la géométrie des nanostructures métalliques. L'accent a été mis plus particulièrement sur les capteurs par RPSL et sur les capteurs par diffusion Raman exaltée de surface (DRES). Le premier chapitre a rappelé les paramètres clés menant à l'optimisation recherchée, i.e., la nature du métal, la taille de la nanoantenne, sa forme, son milieu environnant, la polarisation du champ électrique incident, la séparation entre les nanoparticules et la présence d'ordres supérieurs. Le second chapitre s'est davantage centré sur les capteurs DRES en exposant le principe et les possibilités d'optimisation de leur signal dans le cas de rangées de nanostructures d'or. Le chapitre 3 s'est consacré à l'observation de l'allure du champ électromagnétique local (amplitude et longueur de décroissance) par l'étude du couplage champ proche entre les nanoparticules d'or.

Le travail présenté dans ce manuscrit a permis de mettre en lumière les différentes possibilités menant à l’optimisation de l’efficacité de capteurs basés sur la résonance de plasmons de surface localisé (RPSL) et fabriqués par des techniques contrôlant précisément la géométrie des nanostructures métalliques. L’accent a été mis plus particulièrement sur les capteurs par RPSL et sur les capteurs par diffusion Raman exaltée de surface (DRES). Le premier chapitre a rappelé les paramètres clés menant à l’optimisation recherchée, i. E. , la nature du métal, la taille de la nanoantenne, sa forme, son milieu environnant, la polarisation du champ électrique incident, la séparation entre les nanoparticules et la présence d’ordres supérieurs. Le second chapitre s’est davantage centré sur les capteurs DRES en exposant le principe et les possibilités d’optimisation de leur signal dans le cas de rangées de nanostructures d’or. Le chapitre 3 s’est consacré à l’observation de l’allure du champ électromagnétique local (amplitude et longueur de décroissance) par l’étude du couplage champ proche entre les nanoparticules d’or
The work presented in this manuscript focuses on the different possibilities leading to the optimization of the signal of localized surface plasmon resonance (LSPR) basednanosensors and fabricated by some techniques enabling a precise control of the geometry of metallic nanostructures. Nanosensors based on LSPR and surface enhanced Raman scattering (SERS) have been especially studied. The first part of this manuscript reminds the key parameters leading to the optimization of the signal of such nanosensors, i. E. , the nanostructures material, the size and the shape of the nanostructures, the surrounding medium, the incident electric field polarization, the gap between the nanoparticles and the higher order LSPR. The second part is focused on SERS nanosensors by exposing the optimization principle and possibilities of the signal in the case of arrays of gold nanoparticles. Finally, the last part is devoted to the observation of the shape of the local electromagnetic field around the nanoparticles (amplitude and decay length) by the study of the near-field coupling between gold nanoparticles of different shapes

Depuis les travaux d'Einstein et de De Broglie au début du XXème siècle, il est admis que la lumière peut être décrite à la fois comme une onde ou comme un ensemble de particules appelées photons. La production d'énergie solaire et la détection de la lumière reposent aujourd'hui sur l'effet photovoltaïque qui exploite la description corpusculaire. Pour explorer une autre voie de transformation de lumière en électricité, le concept d'antenne rectifiante exploite cette fois la nature ondulatoire de la lumière. En tant qu'onde électromagnétique, la lumière peut être absorbée par une antenne à l'instar d'une onde radio. Les premiers arguments théoriques sur ce principe remontent à la fin des années soixante, mais ce n'est que depuis une dizaine d'années que les tentatives de réalisation expérimentale d'antennes rectifiantes pour les fréquences du visible et du proche infrarouge voient le jour grâce aux progrès des méthodes de nanofabrication. L'objet de cette thèse est de proposer une conception innovante de nano-antennes rectifiantes qui réponde aux deux verrous technologiques principaux que sont la fabrication d'antennes à l'échelle nanométrique et la rectification du courant alternatif térahertz qui s'y établit lorsque la lumière y est absorbée
Since Einstein's and De Broglie's works in the early XXth century, the double nature of light being a set of particles as well as a wave is admitted in the scientific community. Today, both solar energy production and light detection are based on the photovoltaic effect which relies on the corpuscular description of light. To investigate a new way to produce electricity out of light, the concept of rectifying antenna is derived from the wave description. As an electromagnetic wave, light can be haversted by an antenna just like a radiowave. Although the first theoretical descriptions of this phenomena go back to the late sixties, it has just been a decade since a few experimental demonstrations of rectifying antennas designed for visible and infrared light have been published. This is explained by the recent progresses of the nanofabrication processes. This thesis aim to propose an innovative design of rectifiying nanoantennas able to address the two main challenges which are: the fabrication of reproducible nanoantennas at the nanoscale; and the rectification of the alternative current which arises when light is absorbed in the nanoantennas

Ce travail de thèse porte sur l'étude du couplage entre des boîtes quantiques (BQs) insérées dans des nanofils à semiconducteurs et des antennes plasmoniques. Un couplage efficace requiert une caractérisation complète des leurs propriétés optiques respectives, pour assurer un recouvrement spectral et spatial de l'émission de la boîte et du mode de l'antenne et l'alignement de la polarisation du mode plasmonique avec l'émission de la BQ.Les propriétés optiques d'antennes patchs plasmoniques circulaires ont été étudiées par cathodoluminescence (CL). Nous avons montré avec un modèle analytique de la densité locale d'états électromagnétiques (DLE) au voisinage des antennes que leurs résonances sont des superpositions de modes de Bessel d'ordre radiaux et azimutaux différents. Nous avons fabriqué et caractérisé des antennes mono et multimodes, et trouvé que la partie radiative de la DLE n'est pas la seule contribution au signal de CL. De plus, nous avons caractérisé des antennes de différentes épaisseur du plan diélectrique ou différents matériaux. L'analyse de ces résultats nous pousse à proposer une interprétation des contributions au signal de CL annexes à la partie radiative de la DLE supportée par l'antenne. Nous avons de plus démontré la fabrication d'antennes patchs en aluminium opérant dans la partie bleue du spectre électromagnétique, et appliqué la CL à d'autres géométries d'antennes.Nous avons également étudié différentes boîtes quantiques insérées dans des nanofils à semiconducteurs faits d'alliages de matériaux II-VI. Des émetteurs uniques sont étudiés par microphotoluminescence (µPL). Des mesures résolues en temps ou par microscopie de Fourier permettent une caractérisation spectrale, temporelle et la détermination de leur diagramme de rayonnement. Nous avons de plus mis en évidence les variations de propriétés optiques des émetteurs dues aux inhomogénéité de fabrication en étudiant un large ensemble de BQs. La modélisation complète des propriétés électroniques et optiques d'une boîte unique est proposée en utilisant la microscopie de Fourier résolue en polarisation, et une étape de spectroscopie magnéto-optique.Enfin, nous avons développé une méthode de lithographie électronique en deux étapes basée sur le repérage d'un émetteur unique par CL, permettant la fabrication d'antennes plasmoniques couplées de façon déterministe à des BQs insérées dans des nanofils. L'étude de ce couplage révèle un accroissement de l'absorption du faisceau d'excitation accompagné d'une accélération de l'émission de la boîte par couplage radiatif. Il en résulte une exaltation jusqu'à un facteur 2 de la µPL des boîtes
In this work, we study the coupling between plasmonic nanoantennas and semiconducting nanowire quantum dots (NWQDs). This coupling requires spectral, spatial and polarisation matching of the antenna mode and of the NWQD emission. Hence, a full characterisation of both the antenna system and the NWQDs has to be performed to determine a relevant coupling geometry.Using cathodoluminescence (CL) we investigate the relation between the CL signal of circular patch plasmonic antennas and the electromagnetic local density of states (LDOS). The successive resonances supported by these antennas are complex superimpositions of Bessel modes of different radial and azimuthal order. Applying an analytical LDOS model, we show that we can fabricate and characterise antennas down to single mode resonances. However, the antennas CL spectrum goes beyond the radiative part of the LDOS. By changing the spacing layer thickness and the antennas materials, we propose an explanation for the origin of the additional CL signal we observe that is not related to the radiative LDOS of the patch antennas. We also demonstrate the fabrication of Al patch antennas working in the blue spectral range and apply our method to other geometries.We perform optical characterisation of different quantum dots (QDs) embedded inside semiconducting nanowires (NWs) made of II-VI materials. We use microphotoluminescence (µPL) to study the emission of single NWQDs. Time-resolved measurements and Fourier imaging allows us to extract their exciton lifetime and radiation patterns. The variability in the emission properties of the NWQDs due to inhomogeneity in the growth process are evidenced by studying a statistical set of nanowires. A complete model based on polarisation-resolved Fourier imaging and magneto-optical spectroscopy is detailed, allowing to fully determine the QD electronic and optical properties for an individual system.Finally, we develop a cathodoluminescence-based two-step electron-beam lithography technique to deterministically fabricate plasmonic antennas coupled to NWQDs, enhancing their µPL properties. The coupling results in an enhanced absorption of the pump laser inside the NW and in an increase of the radiative rate of the QD, leading to up to a two-fold intensity enhancement factor for the coupled system

L'effet Faraday inverse est un processus magnéto-optique permettant la magnétisation de la matière par une excitation optique porteuse d'un spin non nul de la lumière. Cette interaction lumière-matière dans les métaux à l'échelle nanométrique résulte de la création de courants de dérive via les forces non linéaires que la lumière applique aux électrons de conduction. En particulier, ce phénomène a été considéré jusqu'à présent comme symétrique; les polarisations circulaires droite ou gauche génèrent des champs magnétiques orientés dans la direction de propagation de la lumière ou dans la direction opposée à la propagation. Nous démontrons ici qu'en manipulant localement la densité de spin de la lumière dans des nano-antennes plasmoniques inversement conçues, l'effet Faraday inverse peut être chiral et générer de forts champs magnétiques stationnaires dus aux courants de dérive uniquement pour une hélicité de la lumière entrante; nous démontrons aussi que ce processus magnéto-optique peut avoir sa symétrie inversée, ce qui était considéré comme impossible; et qu'il peut même générer des photocourants de dérive unidirectionnels en tant que nano-source accordable pour un rayonnement THz linéaire. Ce nouveau concept optique de manipulation de l'effet Faraday inverse par des nano-antennes plasmoniques trouve diverses applications dans le contrôle ultrarapide des domaines magnétiques, non seulement dans les technologies de stockage de données ultrarapides, mais aussi dans des domaines de recherche tels que la spectroscopie THz à l'échelle nanométrique, le piégeage magnétique, les skyrmions magnétiques, le dichroïsme circulaire magnétique, la manipulation de matériaux magnétiques, le contrôle du spin, la précession du spin, les courants de spin et les ondes de spin, entre autres
The inverse Faraday effect is a magneto-optical process allowing for the magnetization of matter through optical excitation carrying a non-zero spin of light. This light-matter interaction in metals at the nanoscale arises from the generation of drift currents via the nonlinear forces applied by light to the conduction electrons. Particularly, this phenomenon has been conventionally considered symmetrical; right or left circular polarizations generate magnetic fields oriented either in the direction of light propagation or in the direction opposite to propagation. We demonstrate here that by locally manipulating the spin density of light in inversely designed plasmonic nano-antennas, the inverse Faraday effect can be chiral and generate strong stationary magnetic fields due to drift currents only for one helicity of incoming light; furthermore, we demonstrate that this magneto-optical process can have its symmetry reversed, which was considered impossible; and it can even generate unidirectional drift photocurrents as a tunable nano-source for linear THz radiation. This novel optical concept of manipulating the inverse Faraday effect by plasmonic nano-antennas finds diverse applications in ultrafast control of magnetic domains, not only in ultrafast data storage technologies but also in research areas such as nanoscale THz spectroscopy, magnetic trapping, magnetic skyrmions, magnetic circular dichroism, magnetic material manipulation, spin control, spin precession, spin currents, and spin waves, among others

Les nano-antennes sont des composants nanostructurés capables de concentrer la lumière dans des volumes sub-longueur d’onde, exaltant le champ électrique selon plusieurs ordres de grandeur. Cela est particulièrement intéressant pour la génération d’effets non linéaires, qui dépendent des puissances du champ électrique incident. En effet, les effets non linéaires d’ordre 2, qui permettent les phénomènes de conversion de fréquence, comme la génération de second harmonique (SHG), ou la différence de fréquence (DFG), dépendent du carré du champ électrique. Ainsi, si l’on inclut un cristal non linéaire dans une nano-antenne, on peut exalter significativement ces effets. L’objectif de cette thèse est donc de concevoir des nano-antennes permettant de générer efficacement des effets non linéaires d’ordre 2. De tels dispositifs pourraient être appliqués à la création de nouvelles sources pour la spectroscopie infrarouge.Le travail de thèse va de la modélisation électromagnétique des effets non linéaires dans les nanostructures à la démonstration expérimentale. La modélisation de polarisation non linéaire générée suivant l’axe optique a été développée en s’appuyant sur une méthode modale B-Spline pour les calculs linéaires. Ce modèle a permis de simuler les effets non linéaires liés à cette polarisation, d’affiner la compréhension des phénomènes physiques dans les nanostructures multi-résonantes, et d’optimiser une structure ayant une efficacité de 0.1 W/W² en différence de fréquence dans l’infrarouge. La conception d’un échantillon a permis de valider les propriétés résonantes, ainsi qu’une démonstration expérimentale de génération de second harmonique
Nano-antennas are nanostructured componentscapable of concentrating light in subwavelengthvolumes, exalting the electric field by severalorders of magnitude. This is particularly interestingfor the generation of nonlinear effects, which dependon the powers of the incident electric field. Actually,the second order non-linear effects, which allowfrequency conversion phenomena, such as secondharmonic generation (SHG), or difference frequencygeneration (DFG), depend on the square of the electricfield. Thus, if we include a nonlinear crystal in anano-antenna, we can significantly enhance these effects.The objective of this thesis is thus to designnano-antennas that can efficiently generate secondorder nonlinear effects. Such devices could be appliedto the creation of new sources for infrared spectroscopy.The thesis work ranges from electromagnetic modellingof nonlinear effects in nanostructures to experimentaldemonstration. The modelling of nonlinear polarizationgenerated along the optical axis has beendeveloped using a B-Spline modal method for linearcalculations. This model has allowed to simulate thenonlinear effects related to this polarization, to refinethe understanding of physical phenomena in multiresonantnanostructures, and to optimize a structurewith an efficiency of 0.1W/W² in difference frequencygeneration in the infrared. The design of a sample allowedthe validation of the resonant properties, as wellas an experimental demonstration of second harmonicgeneration

Les plasmons polaritons de surface (SPPs) jouent un rôle central en nanophotonique, parce que ce sont des modes optiques qui peuvent être confinés dans l’espace à l’échelle de 10 nm et dans le temps à l’échelle de 10 fs. L’excitation électrique des plasmons polaritons de surface par effet tunnel inélastique peut être ultrarapide et localisée, ce qui permet de développer une nanosource pour la nanophotonique intégrée en profitant pleinement du potentiel des polaritons plasmon de surface. Pourtant, ce processus est très inefficace avec un rendement de conversion typique de 10-7~10-5 plasmon par électron.Dans ce manuscrit de thèse, nous présentons une étude théorique et expérimentale qui vise à augmenter l’émission de plasmons de surface par effet tunnel inélastique avec une nano-antenne résonante. Nous avons développé un modèle théorique pour décrire l’émission de lumière à partir d’une jonction à effet tunnel en utilisant le théorème de fluctuation-dissipation. Nous proposons deux stratégies pour augmenter le rendement de conversion électron-plasmon. Nous introduisons un mode d’antenne résonnante confiné à l’échelle du nanomètre afin de renforcer le couplage entre le courant et le champ. En outre, nous introduisons l’hybridation d’un mode plasmonique metal/isolant/metal confiné et d’un mode d’antenne. Nous prédisons théoriquement que 30% de l’énergie émise par un dipôle est sous forme de SPP pour une longueur d’onde de travail de 800nm et une épaisseur d’isolant de 1 nm.Nous avons développé les processus de fabrication pour réaliser les antennes à effet tunnel en utilisant la configuration Al/AlOx/Au. L’antenne fabriquée présente une fonctionnalité robuste concernant les propriétés électriques et optiques. Nous montrons l’antenne permet de contrôler le spectre d’émission SPP, la polarisation d’émission SPP et renforcer l’efficacité des émissions de SPP de plus de 3 ordres de grandeur. La puissance totale émise sous forme de SPP est de l’ordre de 10 pW, quatre ordres de grandeur de plus que la puissance typique émise par une pointe de microscope à effet tunnel
Surface plasmon polaritons (SPPs) plays a central role in nanophotonics because they are optical modes that can be confined in space at the 10 nm scale and in time at the 10 fs scale. Electrical excitation of surface plasmon polaritons by inelastic tunneling electrons has the potential to be fast and localized so that it offers the opportunity to develop a nanosource for on-chip nanophotonics taking advantage of the full potential of surface plasmons polaritons. However, inelastic tunneling is rather inefficient with a typical electron-to-plasmon conversion efficiency of 10-7~10-5. In this thesis manuscript, we present a study for enhancing surface plasmon emission by inelastic tunneling electrons with a resonant nanoantenna. It consists of theoretical and experimental investigations. First, we have developed a theoretical model to describe the light emission from a tunnel junction based on the fluctuation-dissipation theorem. Second, we have theoretically demonstrated two strategies to improve the antenna SPP efficiency thus aiming to enhance electron-to-plasmon conversion efficiency. We introduce a resonant antenna mode with a sub-nanometer gap in order to enhance the coupling between the inelastic current and the the mode. Furthermore, we introduce the hybridization in a nanopatch antenna between a gap mode and an antenna mode to launch SPPs: we theoretically predict that 30% of the power emitted by a dipole is converted into SPP (working wavelength at 800nm) with a 1nm gap thickness. Third, we have developed the fabrication procedures to realize antenna tunnel junctions based on the Al/AlOx/Au configuration. The fabricated antenna junction shows a robust functionality both regarding electrical and optical properties. The antenna junction is demonstrated to control the SPP emission spectrum, the SPP emission polarization and enhance the SPP emission efficiency by over 3 orders of magnitude. The total SPP power emitted is in the range of 10 pW, four orders of magnitude larger than the typical fW power emitted by a scanning tunneling tip junction

Les nano-antennes permettent la manipulation spatiale et spectrale de la lumière à des échelles petites devant la longueur d'onde. Elles peuvent être arrangées en réseaux en périodisant un motif afin de réaliser des métasurfaces aux propriétés optiques spatialement homogènes et accordables. Une application prometteuse est l'utilisation de nano-antennes en tant qu'émetteurs thermiques pour la conception de sources infrarouges performantes qui s'affranchissent des limitations des sources conventionnelles. Cependant, les mesures effectuées sur de tels ensembles font survenir des effets collectifs comme du couplage inter-antenne, qui sont susceptibles de perturber la réponse optique globale par rapport à celle de la cellule unité. L’objectif de cette thèse est de développer des méthodes expérimentales à haute sensibilité et résolution pour caractériser la réponse optique intrinsèque d’un objet sub-longueur d’onde de sorte à mieux comprendre les processus résonants à l’échelle de la nano-antenne unique. L’étude repose sur deux axes de recherche principaux, l’un dédié à une technique d’imagerie de champ proche faisant appel à un microscope à effet tunnel à rayonnement thermique capable d’atteindre la super-résolution, l’autre consacré au développement d’un montage expérimental original permettant d’extraire le spectre d’émission d’une nano-antenne unique en champ lointain. Suite aux résultats obtenus avec des nano-antennes uniques, des structures plus complexes comportant plusieurs nano-antennes sont examinées pour caractériser leur interaction. Ces travaux ouvrent des perspectives intéressantes pour améliorer la conception de structures nanophotoniques basées sur les nano-antennes et maîtriser leur comportement à la fois dans le champ proche et le champ lointain
Nanoantennas have the ability to manipulate light both spatially and spectrally at the nanoscale. They can be arranged in arrays by the periodization of a pattern in order to construct tunable metasurfaces with spatially homogeneous properties. A promising application is the use of nanoantennas as thermal emitters for the design of infrared sources that bypass the limitations of conventional ones. Nevertheless, ensemble measurements give rise to collective effects such as inter-antenna coupling that are liable to impair the global optical response compared to that of the unit cell. The objective of this thesis is to develop highly-sensitive experimental methods that can resolve the intrinsic optical response of a subwavelength structure so that resonant processes at the single nano-antenna scale are better understood.The study hinges on two main research axes, one dedicated to a near-field technique using a thermal radiation scanning tunneling microscope for super-resolved imaging, the other pertaining to the development of an original experimental set-up that can extract the emission spectrum of a single nanoantenna in the far field. Following the results obtained with single nanoantennas, more complex structures comprised of several nanoantennas are investigated to characterize their interaction. This work paves the way towards design improvement of nanophotonic structures based on nanoantennas and control over their behavior in both the near field and the far field

Nowadays, the increasing concern for environmental analysis and food quality control, as well as medical needs such as fast diagnosis in case of emergency events, leads to a growing need for new generations of chemical and biological sensors. These devices should have high sensitivity and reliability, perform specific detection of molecules and enable multiple parallel sensing, while being cheap, portable, fast and easy to use. Thus, a general trend tends towards bio-chemical sensors which are on-chip integrated, label-free, and compatible with standard micro-technologies. Photonic dielectric devices based on porous silicon and metallic nanostructures based on plasmon resonances are good candidates to fulfill the above requirements. Porous silicon is a biocompatible material, with a huge specific surface providing a sensitivity enhancement by several orders of magnitude compared to bulk materials; furthermore, its refractive index and thickness can be easily tuned, enabling for the realization of a large variety of photonic designs. Metallic nanostructures provide high confinement and strong field enhancement in sub-wavelength regions, leading to high sensitivities; combined with fluorescence or other sensing mechanisms such as Raman or IR spectroscopy, they have already demonstrated increased sensing potential. The realization of a hybrid device combining both elements would be highly interesting, since it could yield the advantages of both elements, and the photonic structure could shape the plasmonic resonance to develop ultrasensitive devices with narrow resonance linewidth and increased sensing depth. In this context, we realized and studied a novel hybrid photonic / plasmonic device exploiting the coupling between the surface plasmon resonance of a bowtie nano - antenna (NAs) array and the photonic modes of porous silicon (PSi) interferometer. We designed and fabricated a NAs array with resonance wavelength ~ 1.3μm on a homogeneous PSi interferometer. A thin spacing silica layer with controllable density protects the pores of PSi layer and provides a smooth surface for the fabrication of NAs. The coupling mechanisms of two elements - NA array and interferometer, are studied with 2 models, which are interferometer approach and resonator approach. The interferometer approach is focused on studying the influence of NAs array as a homogeneous layer on the fringes shift of the interferometer. For resonator approach, the coupled mode theory is applied. With these models, strong coupling between both elements are discovered: splitting. In the case of viii smaller environment variation, the hybrid device gains 5-10 fold sensitivity enhancement vs. 2 elements alone. The controllable SiO2 layer allows us to sense the index variation within PSi interferometer. This opens a route towards double parallel sensing. The development of the theoretical models under different environment is ongoing, which is expected to utilize the strong coupling for the sensing. A further investigation of the sensing potential of the hybrid device would be expected. And the 2 elements constituting the hybrid structure - the interferometer and the NA array - could be modified in order to enlarge the study to a wider family of devices with greater properties and performances. This work was performed within the framework of the program "Groups of Five Ecoles Centrales" between China Scholarship Council (CSC) and Lyon Institute of Nanotechnologies (INL, CNRS UMR 5270). The project has been supported by the Nanolyon technology platform at INL.

La détection nanoplasmonique repose sur des champs électromagnétiques exaltés à proximité de la surface des métaux nanostructurés pour détecter les molécules à des concentrations ultra-faibles. Les exaltations de champ sont fortement prononcées aux jonctions entre les nanostructures adjacentes, ce qui entraîne des points chauds. Les exaltations de champ en ces points chauds augmentent de façon non linéaire en fonction des distances jusqu’au régime inférieur à 10nm. Les analytes présents à ces lacunes peuvent tirer parti de ces exaltations de champ, résultant en une sensibilité ultra-élevée dans la détection. Toutefois, ces lacunes de champ confiné affectent la capacité des grands analytes tels que les biomolécules d’entrer et de tirer ainsi parti des champs EM dans les lacunes. Cela présente des besoins spatiaux pour exalter les champs em en contradiction avec ceux pour accueillir les interactions biomoléculaires. Cette thèse démontre la conception rationnelle des configurations de réseaux qui permet aux hotspots EM d’être mieux exploités par le témoin de l’événement de liaison biomoléculaire. La thèse utilise l’approche moléculaire basée sur l’auto-assemblage pour fabriquer des nanoréseaux plasmoniques reproductibles sur des plaquettes complètes. Plusieurs paramètres sont envisagés, y compris la dimension, la forme et la densité des points chauds, la fonctionnalisation de surface, et le choix des substrats, pour démontrer la détection quantitative des molécules jusqu’aux concentrations picomolaires
Nanoplasmonic sensing relies on enhanced electromagnetic fields at the vicinity of nanostructured metal surface to detect molecules at ultra-low concentrations. The EM enhancements are strongly pronounced at junctions between adjacent nanostructures resulting in gap hot-spots. EM enhancements at these hot-spots increase non-linearly as a function of gap distances down to sub-10 regime. Analyte present at these gaps can leverage these EM enhancements, resulting in ultra-high sensitivity in detection. However, such confining gaps affect the ability of large analytes such as biomolecules to enter and thereby leverage EM fields within the gaps. This presents spatial needs to enhance EM fields at odds with those for accommodating biomolecular interactions. This thesis demonstrates the rational design of array configurations that allows the EM hotspots to be better leveraged by the reporter of biomolecular binding event. The thesis uses molecular self-assembly based approach to fabricate reproducible plasmonic nanoarrays on full wafers. Multiple parameters are considered including the dimension, shape, and density of hotspots, surface functionalization, and the choice of substrates, to demonstrate quantitative detection of molecules down to picomolar concentrations

Les nano-antennes optiques permettent la manipulation, le confinement et l'exaltation des champs électromagnétiques dans des volumes sub-longueur d'onde. Les applications de ces nano-objets concernent des domaines variés tels que les nano-sources de lumière, la photovoltaïque, la microscopie, la spectroscopie... Les propriétés physiques de ces nano-antennes dépendant essentiellement de leur nature, leurs tailles et leurs géométries, la caractérisation expérimentale de ces nano-objets est essentielle car elle permet d'en améliorer fortement le design et d'amplifier les réponses électromagnétiques. La problématique de ce travail de thèse concerne la caractérisation et l'exploitation des propriétés de nano-antennes optiques. Différentes techniques de caractérisation expérimentale de nano-antennes ont été développées au cours de cette thèse: spectroscopie de corrélation de fluorescence, suivi de dynamique temporelle de boîtes quantiques, spectroscopie sous saturation de fluorescence. Ces techniques ont été appliqués pour étudier différents types d'antennes optiques: microsphères diélectriques, nano-ouvertures simples et nano-ouvertures corruguées. Réciproquement, ces nano-antennes optiques ont été utilisées pour améliorer efficacement la détection de molécules fluorescentes en solution, avec des exaltations de fluorescence moléculaire supérieures à un facteur 100 et un contrôle de la directivité d'émission de fluorescence, ouvrant ainsi de nouvelles opportunités en biophotonique.