Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Résonance de plasmon de surface localisé“

L’utilisation de l’effet plasmonique de nanoparticules métalliques (NP) est l’une des voies les plus prometteuses pour améliorer les performances optiques et électriques des diodes électroluminescentes organiques (OLED). Le choix du métal, la taille et la position des NP sont liés aux propriétés physiques recherchées mais aussi aux approches et aux techniques permettant leur fabrication. Deux approches peuvent être utilisées : random metallic nanoparticules (RMN) et periodic metallic nanoparticules (PMN).

Ce travail de thèse présente une étude théorique, numérique et expérimentale de l’intégration sur un guide d’onde diélectrique de chaînes de nanoparticules d’or supportant des résonances « plasmon de surface localisé ». Les guides d’onde à plasmon de surface localisé procurent un confinement sub-longueur d’onde de la lumière, ce qui permet d’envisager la réalisation de composants optiques ultra-compacts. Cependant, leurs pertes optiques élevées restreignent leur application à de courtes distances de propagation, contrairement aux guides d’onde diélectriques. Une combinaison judicieuse des deux types de guide doit donc permettre de bénéficier de leurs avantages respectifs. Dans un premier temps, nous avons étudié théoriquement les propriétés des chaînes des nanoparticules grâce à un modèle analytique basé sur l’approximation de dipôles ponctuels couplés, que nous avons développé. Cette étude a permis de déterminer la forme et les dimensions des nanoparticules qui ont ensuite été introduites dans un logiciel de FDTD pour simuler le couplage entre la chaîne de nanoparticules et le guide diélectrique (SOI ou en Si3N4). De cette étude numérique, nous avons déduit les géométries des structures à fabriquer. Les structures réalisées ont été caractérisées à l’aide d’un banc de transmission résolue spectralement, mis en place pendant cette thèse, et d’un système de mesures en champ proche optique en collaboration avec le LNIO (Troyes). Pour la première fois, nous avons montré expérimentalement les propriétés d’une chaîne courte de nanoparticules intégrée sur un guide SOI, ainsi que le phénomène de guides couplés entre une chaîne longue de nanoparticules et un guide SOI. Une valeur record de la constante de couplage a été obtenue, et ce, aux longueurs d’onde des télécoms (proche infrarouge). L’énergie lumineuse transportée par le mode TE du guide SOI peut ainsi être entièrement transférée au guide plasmonique en 4 ou 5 nanoparticules, soit une distance de propagation de moins de 600 nm. Nous avons également étudié les propriétés de réseaux de Bragg à base de plasmon de surface localisé en confrontant les résultats de mesures de transmission résolue spectralement aux résultats théoriques d’un modèle analytique basé à la fois sur l’approximation de dipôle ponctuel en régime quasi-statique et la théorie des modes couplés. Ces travaux ouvrent la voie à des applications de pinces optiques, de capteurs ou de spaser, qui bénéficieront de l’intégration de nanoparticules métalliques dans les circuits photoniques
This PhD work presents a theoretical, numerical and experimental study of the integration of a gold nanoparticle chain supporting "localized surface plasmon resonances" on a dielectric waveguide. The localized surface plasmon allows a sub-wavelength confinement of light which could lead to the achievement of ultra-compact optical components. However, the high level of optical losses restricts their application to short propagating distances unlike dielectric waveguides. A judicious combination of both types of guides should therefore allow taking profit of their respective advantages. Firstly, we have theoretically studied the properties of nanoparticles chains using an analytical model that we have developed following the coupled dipoles approximation. This has helped us to determine the shape and size of nanoparticles, which have been further used in a FDTD software, to simulate the coupling between the chain and the dielectric waveguide (SOI or Si3N4). Using this numerical study, we have deduced the geometries of structures to be fabricated. The realized structures have been characterized using a spectrally resolved transmission set-up, built during this thesis, and an optical near field measurement set-up (collaboration LNIO Troyes). For the first time, we have experimentally shown the properties of short nanoparticle chains integrated on a SOI waveguide as well as the existence of a coupled waveguide phenomenon between long nanoparticle chains and SOI waveguides. A record value has been obtained for the coupling constant at telecom wavelengths (near infrared). The light energy carried by the TE mode of the SOI waveguide can be completely transferred into the plasmonic waveguide via the first 4 or 5 nanoparticles of the chain, which means a distance of less than 600 nm. We have also studied the properties of Bragg gratings based on localized surface plasmon. Experimental results from spectrally resolved transmission measurements have been compared to theoretical results obtained from an analytical model based on the point dipole approximation in quasi-static regime, on one hand, and using the coupled mode theory, on the other hand. This work opens the way for applications to optical tweezers, sensors or spasers, which will benefit from the integration of metal nanoparticles in photonic circuits

La découverte de la photoluminescence du silicium sous sa forme nanométrique a ouvert la voie de l’utilisation du silicium dans les composants optoélectroniques. Cependant cette photoluminescence reste trop peu efficace et de nombreuses recherches portent aujourd’hui sur l’amélioration des propriétés optiques du silicium. Ce travail de thèse s’intéresse particulièrement à l’utilisation de plasmons de surface localisés afin d’améliorer les propriétés optiques de nanocristaux de silicium. Grâce au contrôle de tous les paramètres géométriques des nanocristaux de silicium et des nanoparticules métalliques lors de la fabrication des échantillons, il a été possible d’étudier les phénomènes physiques du couplage entre ces deux objets. Une modification de l’émission des nanocristaux de silicium en fonction de la distance, de la taille et de la nature des nanoparticules métalliques a été étudiée. Grâce au développement de différentes techniques de caractérisation optique, il a été possible de montrer que la photoluminescence des nanocristaux de silicium était modifiée à la fois spectralement et spatialement par les plasmons de surface localisés. Ce travail montre que grâce aux plasmons de surface localisés il est possible de grandement améliorer la photoluminescence des nanocristaux de silicium et ainsi il est possible d’imaginer de nouveaux composants optoélectroniques à base de silicium et de plasmons
The discovery of photoluminescence of nanometric silicon paves the way to use silicon in optoelectronic devices. However this photoluminescence remains low and a lot of works aim at improving silicon optical properties. In this dissertation we study localized surface plasmons to improve optical properties of silicon nanocrystals. Thanks to the control of all geometrical parameters of silicon nanocrystals and metallic nanoparticles during the fabrication process, the coupling process between these two objects has been studied. The modification of silicon nanocrystals emission as a function of the distance, the size and the nature of metallic nanoparticles has been investigated. Thanks to the development of experimental optical characterization techniques we showed that silicon nanocrystals photoluminescence is modified both spectrally and spatially by localized surface plasmons. This work shows that it’s possible to enhance silicon’s optical properties and thus to devise optoelectronic devices with silicon and plasmons

Les métamatériaux (MMs) sont des composants artificiels présentant des propriétés électromagnétiques qui n'existent pas dans les matériaux conventionnels naturels. Malgré des développements spectaculaires depuis les années 2000 en radiofréquence et aussi en optique, principalement en mode radiatif, les applications des MMs en optique guidée dans l'objectif de la miniaturisation des composants optoélectroniques sont restés très rares. Donc, poursuivant les recherches sur les MMs plasmoniques en optique guidée initiées par M. Kanté, Mme Ghasemi et Mme Dubrovina, ce travail de thèse constitue une contribution originale à la conception et à la réalisation de composants optoélectroniques basés sur des MMs, y compris leur simulation et leur caractérisation.Durant cette thèse, 3 composants ont été proposés dont 2 ont été réalisés et caractérisés. Ce sont littéralement les premières démonstrations d'applications des MMs à des composants compacts en optique guidée et on peut en conclure qu'une nouvelle famille de composants infrarouges est ici proposée. Cette approche considérée est générique, et elle est compatible avec les plateformes de circuit intégrés conventionnels: Si, InGaAsP / InP, silice dopé, etc. En outre, on démontre que le contrôle à la fois de la variation de l'indice effectif du guide associé au MM et de la fréquence de résonance du MM avec qui travaillent ces composants, sont accessibles simplement en modifiant les dimensions des nanofils qui les composent. Cela permettra à ces composants de fonctionner à d'autres fréquences intéressantes
Metamaterials (MMs) are artificial components with electromagnetic properties that do not exist in conventional natural materials. Despite tremendous developments achieved since the 2000s in radiofrequency and also in optics, mainly in the radiative mode, the applications of MMs in guided optics, in order to miniaturize the conventional optoelectronic components still remain nearly blank. Following the studies on plasmonic MM in waveguided optics initiated by Mr. Kanté, Mrs. Ghasemi and Mrs. Dubrovina, this thesis work constitutes an original contribution to the design and realization of optoelectronic components based on MMs, including their simulation and characterization methods. During this thesis, 3 components have been proposed, of which 2 have been realized and characterized. These are literally the first demonstrations of MM applications to compact components in waveguided optics and it can be concluded that a new family of infrared components is proposed here. This approach is generic and compatible with conventional integrated circuit platforms: Si, InGaAsP / InP, doped silica, etc. Moreover, it is shown that the control of both the variation of the effective index of the guide associated with the MM, and the resonance frequency of the MM with which these components work, is accessible simply by modifying the dimensions of the nanowires. This will allow these components to operate at other frequencies

Malgré leurs contribution dans plusieurs domaines, les biopuces à lecture plasmonique conventionnelles basées sur l'utilisation d’un film métallique plan d'or, sont limitées en terme de sensibilité surtout quand il s'agit de détecter des molécules de faible masse molaire à l’état de trace.Dans ce cadre, nous étudions numériquement et expérimentalement le potentiel de détection d’interactions biomoléculaires d’une nouvelle génération de biopuces à lecture plasmonique intégrant un film métallique micro-nano-structurée en réseau rectangulaire 1D. L’étude numérique développée met en œuvre une méthode hybride, basée sur la combinaison de deux méthodes classiques : la méthode des éléments finis et la méthode modale de Fourier. Grâce à ce nouvel outil numérique, nous présentons une cartographie exhaustive du potentiel de détection d’une couche biologique, en variant les paramètres de la structuration liés aux dimensions du réseau. La réponse de la biopuce à l’accrochage de biomolécules est ensuite interprétée théoriquement par les différents phénomènes plasmoniques notamment les «points chauds» et les bandes plasmoniques interdites. Nos calculs soulignent l'importance de l’exploitation du confinement de la lumière à travers la structuration sub-longueur d’onde des surfaces plasmoniques. Ceci permet non seulement d’optimiser les paramètres géométriques afin d’améliorer la sensibilité vis-à-vis de la réponse d’une biopuce conventionnelle, mais aussi de mettre en évidence la transition entre le régime où les plasmons propagatifs dominent et le régime où les plasmons localisés dominent. De nouvelles figures de mérite sont introduites pour évaluer les performances des biopuces structurées.Cette étude montre également que de nouvelles opportunités pour améliorer davantage la bio-sensibilité sont offertes, si la localisation de biomolécules peut être effectuée dans les régions où le champ électrique est amplifié et confiné
Surface plasmons resonance imaging with continuous thin metallic films have become a central tool for the study of biomolecular interactions. However, in order to extend the field of applications of surface plasmons resonance systems to the trace detection of biomolecules having low molecular weight, a change in the plasmonic sensing methodology is needed. In this study, we investigate theoretically and experimentally the sensing potential of 2D nano- and micro- ribbon grating structuration on the surface of Kretschmann-based surface plasmon resonance biosensors when they are used for detection of biomolecular binding events. Numerical simulations were carried out by employing a fast and novel model based on the hybridization of two classical methods, the Fourier Modal Method and the Finite Element Method. Our calculations confirm the importance of light manipulation by means of structuration of the plasmonic thin film surfaces on the nano- and micro- scales. Not only does it highlight the geometric parameters that allow the sensitivity enhancement, and associated figures of merit, compared with the response of the conventional surface plasmon resonance biosensor based on a flat surface, but it also describes the transition from the regime where the propagating surface plasmon mode dominates to the regime where the localized surface plasmon mode dominates. An exhaustive mapping of the biosensing potential of the nano- and micro- structured biosensors surface is presented, varying the structural parameters related to the ribbon grating dimensions. New figures of merit are introduced to evaluate the performance of the structured biosensors. The structuration also leads to the creation of regions on biosensor chips that are characterized by strongly enhanced electromagnetic fields. New opportunities for further improving the bio-sensitivity are offered if localization of biomolecules can be carried out in these regions of high electromagnetic fields enhancement and confined

La résonance de plasmon de surface localisée (LSPR) est définie comme l’oscillation collective du nuage d’électrons de conduction induite par un champ électrique externe. Dans le cas de nanoparticules composé de métaux nobles tels que l’or, l’argent, ou le cuivre,la résonance est localisée dans le visible ou le proche UV. La polarisabilité d’une nanoparticule est directement proportionnelle à quatre paramètres clefs : son volume, sa composition, sa forme et son milieu environnant. Ce sont ces propriétés qui font que la LSPR peut être utilisée à des fin de capteur. Dans le cas d’une particule isotrope, tel que la sphère, le spectre LSPR montre un seul pic d’absorption. Dans le cas d’une particule anisotrope, tel qu’une ellipsoïde, le spectre d’absorption a deux maxima distincts. Si on calcule la section efficace d’absorption en considérant une lumière non polarisée, on obtient deux maxima. Le point clef de ce type de système est la possibilité de découpler les deux résonances en utilisant une lumière polarisée. Dans cette description le système anisotrope est considéré comme microscopique, c’est à dire qu’il ne s’agit que d’une ou deux particules. Dans le cas d’un échantillon macroscopique, tel qu’une solution colloïdale d’ellipsoïdes ou nanotiges, le spectre d’absorption aura toujours deux maxima d’absorption, mais ceux-ci ne pourront pas être découplés car l’échantillon n’est pas globalement anisotrope. En revanche, si l’échantillon présente une anisotropie globale telle que des nanotiges alignés, ou des nanosphères organisées en ligne, il est possible d’avoir un spectre de plasmon dépendant de la polarisation de la lumière. Être capable de découpler les résonances d’un échantillon anisotrope permet de mesurer un spectre différentiel en prenant la différence des deux spectres d’absorption. Cela est expérimentalement possible en utilisant la spectroscopie de transmis- sion anisotrope qui permet la mesure de l’anisotropie optique. L’avantage est d’obtenir un spectre relative et différentiel donc plus stable et reproductible. De plus il est maintenant possible de suivre l’évolution de la réponse optique des particules plasmoniques, non plus en mesurant un déplacement spectral, mais en mesurant le changement d’intensité du signal à une longueur d’onde fixe. Cette méthode est utilisée pour deux cas d’études qui sont la mesure de l’interaction du dihydrogène avec des nanoparticules d’or, ainsi que la détection de faible pression partielle de dihydrogène dans un gaz porteur (argon, et air) à l’aide de palladium, pour des applications de capteur d’hydrogène
Localised surface plasmon resonance (LSPR) is defined as the collective oscillation of the conduction electron cloud induced by an external electric field. In the case of nanoparticles composed of noble metals such as gold, silver, or copper, the resonance is located in the visible or near UV range. The polarisability of a nanoparticle is directly proportional to four key parameters: its volume, its composition, its shape and its surrounding environment. It is these properties that make LSPR useful for sensor applications. In the case of isotropic particles, such as spheres, the LSPR spectrum shows only one absorption peak. In the case of an anisotropic particle, such as an ellipsoid, the absorption spectrum has two or more distinct peaks. If the absorption cross-section is measured with unpolarised light, multiple maxima are obtained. The key point for these type of systems is the possibility to decouple the resonances using polarised light. In this description the anisotropic system is considered microscopic, i.e. it is only made of one or two particles. In the case of a macroscopic sample, such as a colloidal solution of ellipsoids or nanorods, the absorption spectrum will always have multiple absorption maxima, and they cannot be decoupled because the sample is not globally anisotropic.On the other hand, if the sample has a global anisotropy such as aligned nanorods, or nanosphere organised in lines, it is possible to have a plasmon spectrum dependent on the light polarisation. Being able to decouple the resonances of an anisotropic sample makes it possible to measure a differential spectrum by taking the difference of the two absorption spectra. This is experimentally possible by using anisotropic transmission spectroscopy which measures the optical anisotropy. The advantage is to obtain a relative and differential spectrum more stable and reproducible. Moreover, it is now possible to follow the evolution of the optical response of the plasmonic particles no longer by measuring a spectral shift but by measuring the change in intensity of the signal at a fixed wavelength. This method is used on two case studies which are the measurement of the interaction of dihydrogen with gold nanoparticles, as well as the detection of low partial pressure of dihydrogen in a carrier gas (argon, and air) using palladium nanoparticles, for hydrogen sensing applications

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

Dans cette thèse nous étudions des systèmes composites cristaux liquides / polymères / nanoparticules. Nous utilisons les déformations des cristaux liquides pour contrôler l’auto-organisation induite des nanoparticules et également la polymérisation des matrices cristal liquide pour assurer la stabilité des systèmes nanocomposites et diversifier les techniques de caractérisation d’imagerie et d’optique. Nous nous sommes tout d’abord intéressés aux films cristal liquide nématique puis cholestérique, sans et avec polymère, en l’absence et en présence de nanoparticules, ces dernières étant choisies sphériques de taille unique. Par la suite, nous nous sommes intéressés à la polymérisation des stries huileuses présentes dans la phase smectique A. La comparaison entre les différents comportements des nanoparticules lorsqu’elles sont isolées en solution ou rassemblées et auto-organisées sur un substrat PVA sans cristal liquide (CL) ou sur un substrat avec CL nématiques ou cholestériques, nous a permis de comprendre comment les nanoparticules et la matrice interagissent pour aboutir à la structure finale du système composite, caractérisée par de nouvelles propriétés optiques des nanoparticules. Nous avons établi comment une matrice nématique permettait de conserver un ordre hexagonal quasi-parfait pour des nanoparticules d’or déposées en surface, tout en les rapprochant les unes des autres (compression induite de la monocouche formée) pour diminuer désordre et déformation induits dans la matrice, ce qui décale significativement la résonance de plasmon des nanoparticules. Nous avons également mis en évidence que les nanoparticules induisent un changement d’orientation des molécules nématiques vers une orientation tiltée, accompagnée d’un phénomène de démouillage de la matrice au niveau des nanoparticules. Le passage d’une matrice nématique à une matrice cholestérique conserve l’ordre hexagonal de la monocouche comprimée pour les nanoparticules mais avec un plus grand désordre induit localement par la grande distorsion élastique en surface et au fond des ondulations de la matrice cholestérique mise en évidence par une simulation du cholestérique frustré entre les deux ancrages, planaire sur PVA et homéotrope avec l’air. La structure en modulation du cholestérique joue un rôle de moule de telle sorte que les nanoparticules reproduisent à l’échelle mésoscopique la texture cholestérique à l’interface en formant des rubans qui imitent parfaitement les modulations cholestériques. On retrouve le phénomène de démouillage, mais moins profond que pour le nématique, en lien avec la localisation des nanoparticules dans les zones tiltées au-dessus de la région de plus forte déformation en splay du cholestérique. Au sein de la même matrice cholestérique, l’augmentation de la concentration en nanoparticules entraine une modification profonde des propriétés optiques des nanoparticules. Nous montrons que c’est lié à la mise en place de structures nouvelles pour les nanoparticules, toujours induites par la structure modulée du cholestérique, qui, elle, n’est que peu modifiée. On passe, quand la concentration augmente, d’une monocouche en labyrinthes à deux dimensions fortement désordonnée et comprimée jusqu’à des organisations de tailles et formes contrôlées à trois dimensions (des agrégats). Les propriétés optiques sont modifiées en lien avec un fort renforcement de l’interaction électromagnétique entre nanoparticules. Ces dernières couvrent la totalité des modulations qui ne jouent plus le rôle de moule mais se retrouvent seulement tronquées en surface par la présence des nanoparticules. Ceci met en évidence la robustesse de cette structure cholestérique, mais également les rôles moteurs combinés des déformations élastiques du cholestérique et de l’ancrage induit par les nanoparticules sur les structures obtenues et en retour sur les modifications de propriétés optiques induites. Par ailleurs, concernant la polymérisation des stries [...]
We study composite systems liquid crystals / polymers / nanoparticles. We use liquid crystal distortions to control the induced nanoparticle organization and also the polymerization of liquid crystal matrices that ensures the stability of the composites and allows to diversify the imaging and optical characterization techniques. First of all, we are interested in nematic and cholesteric liquid crystal films, with and without polymer, in the absence and in the presence of nanoparticles, the latter being chosen as spherical gold nanoparticles of diameter 6nm. Subsequently, we were interested in the polymerization of the so-called smectic oily streaks. The comparison between the different behaviors of the nanoparticles when isolated in solution or gathered and self-organized on a PVA substrate without liquid crystal (LC) or on a substrate with nematic or cholesteric LC, allowed us to understand how the nanoparticles and the matrix interact to reach the final structure of the composite system, characterized by new optical properties of the nanoparticles. We have established how a nematic matrix allows to preserve an almost perfect hexagonal order for gold nanoparticles deposited on the surface, while bringing them closer to each other (induced compression of the monolayer formed) to decrease disorder and distortion induced in the matrix, which significantly shifts the plasmon resonance of the gold nanoparticles. We have also demonstrated that the nanoparticles induce a change of orientation of the nematic molecules towards a tilted orientation, accompanied by a dewetting phenomenon of the matrix on top of the nanoparticles. The transition from a nematic matrix to a cholesteric matrix preserves the hexagonal order of the compressed monolayer for the nanoparticles but with an enhanced disorder, locally induced by the larger elastic distortion close to the air/interface and more specifically at the bottom of the undulations of the cholesteric matrix, which was evidenced by a simulation of a frustrated cholesteric between the two anchoring, planar on PVA and homeotrope with air. The cholesteric modulation structure acts as a mold so that the nanoparticles reproduce on the mesoscopic scale the cholesteric texture at the interface by forming ribbons that perfectly mimic the cholesteric modulations. We again evidence a phenomenon of dewetting, but smaller than for the nematic, in relation with the localization of the nanoparticles in the cholesteric tilted areas above the region of strong cholesteric splay distortion. Within the same cholesteric matrix, the increase of the concentration of nanoparticles causes a profound change in the optical properties of the nanoparticles. We show that it is related to the establishment of new structures for the nanoparticles, always induced by the modulated structure of cholesteric, which, in return is only slightly modified. As the concentration increases, one passes from a monolayer of highly disordered and compressed two-dimensional labyrinths up to 3D structures (aggregates) of controlled size and shape. The optical properties are modified in relation with a strong strengthening of the electromagnetic interaction between nanoparticles. The nanoparticles occupy the overall surface of the cholesteric modulations, which no longer play the role of mold, but are found to be truncated at the surface by the presence of nanoparticles. The fact that the modulated cholesterics is only poorly modified highlights the robustness of this cholesteric structure, but also the combined influence of the cholesteric elastic distortions and of the nanoparticle-induced anchoring on the nanoparticle organization and in return on the induced optical properties. Moreover, concerning the polymerization of smectic oily streaks, we have succeeded to preserve the smectic A texture in the nematic phase, in relation with the creation of a particularly robust polymer skeleton that mimics the initial smectic texture

L'objectif de ce travail est d'une part de comprendre et contrôler la formation de rides périodiques nanométriques produites par pulvérisation ionique de films minces diélectriques. D'autre part, ces surfaces nanostructurées sont utilisées pour guider la croissance et l'organisation de nanoparticules d'argent. Ces systèmes anisotropes sont caractérisés par une position spectrale de la résonance plasmon de surface dépendant de la polarisation de la lumière incidente. Nous étudions d'abord par AFM et GISAXS l'influence des conditions de pulvérisation (angle d'incidence et énergie des ions, température, flux, fluence) sur la morphologie des rides (période, amplitude, ordre, ...). Les paramètres pertinents pour le contrôle de la morphologie sont identifiés ainsi qu'une partie des mécanismes physiques mis en jeu. Ensuite, nous étudions par HAADF-STEM l'influence des conditions de croissance (angle d'incidence du flux métallique, degré d'organisation des rides) sur les propriétés structurales des nanoparticules d'argent. Nous montrons que la croissance préférentielle des nanoparticules le long des rides est favorisée par des effets d'ombrage, ce qui conduit à la formation de chaînes linéaires de même période que les rides sous-jacentes et au sein desquelles les nanoparticules sont plus ou moins alignées et allongées. Cela se traduit par une anisotropie optique en champ lointain variable due à la polydispersité des distances interparticules (inférieures à quelques nanomètres) ainsi que des phénomènes de couplage en champ proche plus ou moins importants. Ces structures peuvent trouver des applications en spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS)
On the one hand, the aim of this work is to understand and control the formation of periodic nanometric ripples produced by ion sputtering of dielectric thin films. On the other hand, these nanostructured surfaces are used to guide the growth and organization of silver nanoparticles. These anisotropic systems are characterized by a surface plasmon resonance whose spectral postion is dependent on the polarization of the incident light. We first study the influence of different ion beam sputtering parameters (the ions incidence angle and energy, temperature, energy, flux, fluence) on the ripple morphology (period, amplitude, order, ...) by AFM and GISAXS. The relevant parameters for the control of the ripple morphology are identified as well as some of the physical mechanisms involved. Then, we study the influence of the growth conditions on the structural properties of the nanoparticles (metal deposition angle, ripples pattern quality) by HAADF-STEM. We show that the preferential growth along the ripples is promoted by shadowing effects, thus leading to the formation of linear chains with period similar to the underlying ripples and with more or less elongated and aligned nanoparticles. This results in a far-field tunable optical anisotropy arising from polydisperse interparticle gaps (less than a few nanometers) as well as from more or less strong near-field coupling phenomena. These structures could offer potential for surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) applications

Le travail de thèse est consacré aux interactions spatio-, temporo- et spectro- résolue de laser avec des tissus biologiques. L'objectif de cette thèse était d'étudier l'influence des nanoparticules colloïdales embarqués dans les tissus biologiques multicouches sur leurs propriétés optiques afin de fournir plus profond et / ou plus précise de sondage. Pour ce faire, les paramètres spectroscopiques intégrales et durée de vie de fluorophore dans les environs de nanoparticules métalliques ont été analysées théoriquement et expérimentalement. L’autre partie de l'étude était de proposer de nouvelles solutions algorithmiques pour l'amélioration de la performance du processus d'estimation des valeurs des propriétés optiques de la résolution spatiale des mesures spectroscopiques. La dernière partie de la thèse est la modélisation expérimentale et théorique de la cinétique de fluorophores en présence des nanoparticules d'or colloïdales. La composante ultra-courte pico-seconde (environ 100 ps) a été résolue et a été corrélée à champ dipolaire forte des nanoparticules qui compense le dipôle de la molécule
The thesis work is devoted to spatially-, temporally- and spectrally- resolved laser and biological tissue interactions. The aim of the present thesis was to investigate the influence of colloidal nanoparticles embedded into multilayered biological tissues on their optical properties in order to provide deeper and/or more precise probing. To do so, the integral spectroscopic parameters and lifetime of fluorophore in vicinity of metal nanoparticles were analyzed theoretically and experimentally. Another part of the study was to propose new algorithmic solutions for improving the performance of the estimation process of the optical properties values from spatially resolved spectroscopic measurements. The last part of the thesis was the experimental and theoretical modelling of fluorophore’s kinetics in presence of colloidal gold nanoparticles. The ultra-short pico-second component (around 100 ps) was resolved and correlated to strong nanoparticles dipole field which is compensating the molecule’s dipole

Les matériaux composites peuvent présenter des propriétés qu'aucun des composants individuels ne présente. En outre, à l'échelle du nanomètre les nanocomposites peuvent présenter de nouvelles propriétés par rapport à l'état massif ou à des macrocomposites des mêmes composants en raison d’effets de confinement et d’effets quantiques liés à la taille. Les nanocomposites semi-conducteur/métal sont très intéressants en raison de leurs uniques propriétés catalytiques et opto-électroniques et la possibilité de les ajuster facilement. Ce travail de thèse étudie les interactions spécifiques et les propriétés physiques qui se manifestent dans les films minces de ZnO et nanocomposites ZnO-Au synthétisés par pulvérisation magnétron réactive continue. Premièrement, il est observé qu’il est possible d'ajuster les propriétés microstructurales et optiques des couches de ZnO en réglant les paramètres expérimentaux. La croissance épitaxiale de ZnO sur saphir a été réalisée pour la première fois dans des conditions riches en oxygène sans assistance thermique. En outre, une étude des propriétés optiques met en évidence la relation étroite entre les propriétés optiques et de la chimie des défauts dans les couches minces de ZnO. Un modèle a été proposé pour expliquer la grande dispersion des valeurs de gap rencontrées dans la littérature. Deuxièmement, il a été possible de révéler l'influence profonde de l'incorporation de l'or dans la matrice de ZnO sur des propriétés importantes dans des films nanocomposites. En outre, la présence de défauts donneurs (accepteurs) au sein de la matrice ZnO se permet de réduire (oxyder) les nanoparticules d’or. Ce travail de recherche contribue à une meilleure compréhension des nanocomposites semi-conducteurs/métal et révèle le rôle important de l'état de la matrice semi-conductrice et de la surface des particules pour les propriétés finales du matériau
Composite materials can exhibit properties that none of the individual components show. Moreover, composites at the nanoscale can present new properties compared to the bulk state or to macro-composites due to confinement and quantum size effects. The semiconductor/metal nanocomposites are highly interesting due to their unique catalytic and optoelectronic properties and the possibility to tune them easily. This PhD work gives insight into the specific interactions and resulting physical properties occurring in ZnO and ZnO-Au nanocomposite films grown by reactive DC magnetron sputtering. The results can be summarized in two points: First, it was possible to tune the microstructural and optical properties of ZnO. Epitaxial growth of ZnO onto sapphire was achieved for the first time in O2-rich conditions without thermal assistance. Also, a study of the optical properties highlights the close relationship between the bandgap energy (E_g ) and the defect chemistry in ZnO films. A model was proposed to explain the large scatter of the E_g values reported in the literature. Second, the deep influence of the incorporation of gold into the ZnO matrix on important material properties was revealed. Moreover, the presence of donor (acceptor) defects in the matrix is found to give rise to the reduction (oxidation) of the Au nanoparticles. This research work contributes to a better understanding of semiconductor/metal nanocomposites revealing the key role of the state of the semiconductor matrix