Academic literature on the topic 'Nano-Optiques'

La région Grand Est a été le berceau de plusieurs découvertes majeures de la photonique, notamment la fabrication et la caractérisation des matériaux optiques non-linéaires, les applications industrielles de l’holographie ou encore le développement de la nano-optique. Forte de cette histoire et de sa position stratégique européenne, la région Grand Est s’inscrit demain dans la création de l’Institut de la Photonique, sous la forme d’un consortium large d’acteurs publics et privés en France et au Luxembourg animé depuis un bâtiment principal à Metz.

Les nano-cavités, plus généralement les cavités électromagnétiques, sont des systèmes ouverts qui ne conservent pas l'énergie : leurs « modes propres », c’est-à-dire leurs résonances naturelles, soulèvent des difficultés théoriques qui ont longtemps freiné le développement d’une théorie modale. Des progrès récents importants viennent d’être enregistrés. Ils impactent la façon de modéliser et comprendre les nano-résonateurs. Ils prédisent aussi des effets contre-intuitifs qui conduisent à revisiter des grands classiques du confinement, comme l’effet Purcell ou la théorie de perturbation des cavités, souvent indûment considérés dans un cadre hermitien.

L'objectif de cette thèse est de concevoir et élaborer des outils innovants, baptisés nano-antennes (NAs), pour sonder le champ électromagnétique optique au voisinage des structures de la nanooptique. Une NA est ici une nanostructure métallique placée à l'extrémité d'une sonde locale fonctionnant en mode collection. Une telle structure joue le rôle de relais entre le champ électromagnétique optique à la surface de l'échantillon et la sonde locale, attribuant à la sonde une sensibilité spécifique vis-à-vis du champ électromagnétique vectoriel. Les nano-antennes seront conçues de manière à fournir une information optique encore inaccessible par le biais de la microscopie en champ proche conventionnelle, pour répondre aux besoins actuels et futurs de la nano-optique. Dans la première partie, nous proposons une nouvelle configuration de sonde locale la nano-ouverture papillon complément d'une nano-antenne papillon et nous exposons sa fabrication aux dimensions spécifiques, à l'extrémité d'une fibre optique en polymère. Dans la deuxième partie, nous présentons une nouvelle configuration de microscopie en champ proche permettant l'accès aux lignes de champs électriques et magnétiques optiques 3D au dessus d'un échantillon, avec une résolution sub-longueur d'onde. Le microscope proposé permet de cartographier simultanément et indépendamment les distributions des amplitudes complexes des deux composantes du champ électrique transverse. La dernière partie est consacrée à l'application d'une méthode numérique dite FDTD afin d'étudier le comportement spectral et l'origine de l'exaltation au niveau de la partie centrale d'une nano-ouverture papillon.

L’objectif de cette thèse est de concevoir et élaborer des outils innovants, baptisés nano-antennes (NAs), pour sonder le champ électromagnétique optique au voisinage des structures de la nanooptique. Une NA est ici une nanostructure métallique placée à l’extrémité d’une sonde locale fonctionnant en mode collection. Une telle structure joue le rôle de relais entre le champ électromagnétique optique à la surface de l’échantillon et la sonde locale, attribuant à la sonde une sensibilité spécifique vis-à-vis du champ électromagnétique vectoriel. Les nano-antennes seront conçues de manière à fournir une information optique encore inaccessible par le biais de la microscopie en champ proche conventionnelle, pour répondre aux besoins actuels et futurs de la nano-optique. Dans la première partie, nous proposons une nouvelle configuration de sonde locale la nano-ouverture papillon complément d’une nano-antenne papillon et nous exposons sa fabrication aux dimensions spécifiques, à l'extrémité d'une fibre optique en polymère. Dans la deuxième partie, nous présentons une nouvelle configuration de microscopie en champ proche permettant l’accès aux lignes de champs électriques et magnétiques optiques 3D au dessus d’un échantillon, avec une résolution sub-longueur d’onde. Le microscope proposé permet de cartographier simultanément et indépendamment les distributions des amplitudes complexes des deux composantes du champ électrique transverse. La dernière partie est consacrée à l’application d’une méthode numérique dite FDTD afin d’étudier le comportement spectral et l’origine de l’exaltation au niveau de la partie centrale d’une nano-ouverture papillon
The aim of this thesis is to elaborate efficient optical nanoantennas (NAs) as innovative tools for probing the electromagnetic optical field in the neighbourhood of the structures used in nano-optics (photnics crystals, plasmonic devices, etc). A NA considered here consists of a metal nanostructure positioned onto the apex of a conventional near-field fiber probe used in collection mode (Photon Scanning Tunneling Microscopy configuration). Such a nano-structure acts as a key connection between the electromagnetic field at the sample surface and the local probe, giving to the probe a specific sensitivity to the vectorial electromagnetic field. NAs will be designed to provide optical information still inaccessible with conventional near-field optical microscopy for responding to the present and future needs of the growing nano-optics community. In the first part, we propose a bowtie nano-aperture (BNA) is recently proposed as an alternative solution to bowtie nano-antenna for concentrating light to the nanoscale and we explain the fabrication of a BNA with specific size at the extremity of a polymer optical fiber. In the second part, we propose a near-field imaging concept for obtaining a complete experimental description of the structure of light in three dimensions around nano-devices. Our approach is based on a near-field microscope able to simultaneously and independently map the phase and amplitude distributions of two orthogonal electric-field components at the sample surface. In last section, we present a theoretical study of the bowtie nano-aperture in order to elucidate the spectral behavior and the origin of its resonance mode in the gap of a BNA

Un domaine de la matière condensée en fort développement depuis plusieurs années est celui des nanomatériaux. L'intérêt d'étudier les matériaux à l'échelle nanométrique réside dans le fait que de nombreux phénomènes physico-chimiques ont une grandeur caractéristique de l'ordre du nanomètre (ou de dizaines de nanomètres). Ainsi en est-il, entre autres, de la longueur d'onde de la lumière visible (~400-800 nm), de l'extension des fonctions d'onde d'états électroniques délocalisés. Par conséquent, réduire la taille de matériaux jusqu'à quelques nanomètres ou quelques centaines de nanomètres permet de modifier et de contrôler de nombreuses propriétés. Les phases nanostructurées peuvent se comporter alors différemment à la fois de la phase massive et de la phase moléculaire.
Le terme nanomatériaux recouvre une grande diversité de phénomènes, et de matériaux. Il est impossible de citer exhaustivement tous les domaines concernés, depuis les particules à propriétés catalytiques jusqu'aux nanotubes de carbones, en passant par les particules luminescentes, l'électronique de spin ou encore les nanocomposites.
L'engouement pour les nanomatériaux s'explique aussi comme conséquence naturelle de la miniaturisation continue des dispositifs de certaines industries (microélectronique notamment). De manière complémentaire, l'élaboration de molécules toujours plus grosses et complexes aboutit à des particules nanométriques, de sorte que la matière à l'échelle du nanomètre peut être abordée aussi bien comme une réduction d'échelle de systèmes micrométriques ou comme une augmentation d'échelle de systèmes moléculaires . La première approche est plus immédiatement exploitable. Cependant, la seconde approche, fidèle au rêve du scientifique démiurge, créant de nouveaux matériaux par une organisation contrôlée des briques élémentaires nanométriques parfaitement définies, semble à long terme, plus prometteuse.

Au cours de mon parcours en recherche, depuis le début de ma thèse en novembre 1996, j'ai eu l'opportunité de m'investir dans plusieurs domaines des nanomatériaux, selon l'une ou l'autre de ces deux approches. De formation ingénieur généraliste (École Centrale de Lyon), j'ai choisi de m'initier au métier de chercheur en effectuant une thèse de doctorat dans le domaine du confinement optique à l'échelle nanométrique. Plus particulièrement, ce travail concernait la réalisation et la caractérisation de microcavités optiques à base de semi-conducteurs organiques. Ce travail s'est déroulé sous la direction du professeur J. Joseph, dans le Laboratoire d'Électronique, d'Optique et de Microsystèmes, de l'École Centrale de Lyon, dans le cadre d'une bourse DRET-CNRS.
À la fin de ma thèse, j'ai souhaité développer ma connaissance des semi-conducteurs organiques. En particulier, je voulais aborder d'autres aspects, notamment électronique, tout en mettant à profit les compétences acquises au cours de ma thèse dans le domaine de l'optique. Du 01/08/1999 au 30/08/2000, par contrat du Ministère de la Recherche de la Confédération Helvétique, j'ai occupé un poste de chercheur-enseignant à l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne, dans l'équipe du professeur L. Zuppiroli. Il s'agit d'une équipe pluridisciplinaire, mêlant physiciens, chimistes et industriels, dont la compétence est reconnue dans le domaine des matériaux organiques semi-conducteurs. L'étude à laquelle je me suis consacré a visé à développer la compréhension et la modélisation des phénomènes d'injection et de transport des charges, et l'émission de lumière qui en résulte dans ces matériaux. La particularité de cette étude était qu'elle repose sur une description à l'échelle nanométrique, caractéristique des molécules constituant les dispositifs, pour rendre compte des propriétés macroscopiques de ces derniers.
Depuis mon intégration au LPMCN en qualité de Maître de Conférence (septembre 2000), mon activité de recherche au sein du groupe « agrégats et nanostructures» porte sur la physique des agrégats, d'une part de matériaux covalents et d'autre part de matériaux ioniques. La méthode originale de synthèse d'agrégats et de films nanostructurés (LECBD, Low Energy Cluster Beam Deposition Technique), développée par notre laboratoire en collaboration avec le Laboratoire de Spectroscopie Ionique et Moléculaire (LASIM) et l'Institut de Recherche sur la Catalyse (IRC) depuis plus de dix ans, offre de grandes potentialités pour l'étude des agrégats nanométriques covalents et ioniques. Elle permet d'atteindre des tailles suffisamment petites (quelques nanomètres de diamètre) pour produire des réarrangements de structures et ainsi, par exemple, synthétiser des matériaux cages covalents (type fullerènes). Les conditions de condensation du plasma d'agrégats, fortement hors équilibre thermodynamique (taux de trempe de l'ordre de 1010 K/s) nous permettent de sonder des phases exotiques de la matière. Enfin, cette méthode nous donne accès à la fabrication de composés de stoechiométrie contrôlée pour la plupart des classes de matériaux. En particulier, pour les systèmes d'oxydes ioniques, contrairement aux synthèses par chimie douce, nous pouvons contrôler le taux de dopage et choisir à volonté la nature du dopant luminescent à introduire en substitution dans la matrice oxyde. Il s'agit donc d'une technique d'une grande souplesse et qui permet, pour ma part, d'envisager l'étude des systèmes covalents et ioniques de manière originale. Les agrégats covalents sont essentiellement composés d'éléments semiconducteurs en phase massive (Si, C, Ge, alliages...). Ces matériaux, en raison de leur intérêt évident pour les applications électroniques et dans le mouvement général de la technologie visant à réduire systématiquement les dimensions des composants, sont étudiés à l'échelle nanométrique. À cette taille, ils offrent des modifications spectaculaires de leur propriétés électroniques (transition semi-conducteur/isolant), optiques (apparition de lumière dans Si et Ge qui ne luminescent pas à l'état massif) et structurelles (formation de structures cages). Il y a donc un intérêt tant fondamental qu'appliqué à s'intéresser à de tels matériaux à l'échelle nanométrique. L'étude des oxydes ioniques, que j'ai initiée plus récemment, est aussi stimulée par des intérêts fondamentaux et appliqués. Du point de vue des applications, les oxydes à grand gap font l'objet de recherches intenses en vue d'utilisation comme barrière isolante ultrafine dans les dispositifs électroniques. Ce sont aussi des matériaux généralement chimiquement réactifs et qui dans certains cas peuvent être des luminophores. D'un point de vue fondamental, le comportement de la liaison ionique à l'échelle nanométrique n'a été que peu étudié, principalement en raison de la grande réactivité chimique des matériaux ioniques. Le fait de disposer d'un environnement ultravide pour nos bancs d'expériences nous offre un grand avantage pour la compréhension de ces systèmes. De manière générale, notre approche vise en premier lieu à réaliser et étudier des nanoparticules de référence, parfaitement contrôlées et protégées. En second lieu, elle vise à organiser ces particules sur des substrats choisis pour former des matériaux et dispositifs nanostructurés à vocation optique ou électronique.

Les thématiques évoquées ci-dessus sont reprises dans ce mémoire de la manière suivante. Le chapitre I introduit brièvement les matériaux organiques semiconducteurs et les dispositifs électroluminescents qui les exploitent. Il présente aussi mes travaux de modélisation en vue de l'optimisation électronique de tels dispositifs. Nous y insistons sur la nécessité d'une description nanométrique, caractéristique des matériaux décrits, en vue d'une compréhension macroscopique.
Le chapitre II se concentre sur l'optimisation optique de ces dispositifs. Cet aspect est généralement complémentaire de l'optimisation électronique. Nous y traitons, de manière plus générale, de la modification de l'émission spontanée d'émetteurs à spectre large par des systèmes confinant la lumière selon une ou deux directions (microcavités) sur des dimensions nanométriques.
Le chapitre III synthétise mes activités dans le domaine des agrégats cages covalents. Deux classes complémentaires de matériaux cages sont évoquées au travers de la thématique du dopage. Plus particulièrement, nous illustrons l'intérêt du dopage pour des films issus du dépôt d'agrégats et pour des films de cristaux cages covalents (les clathrates). Ce chapitre marque un changement d'approche par rapport aux chapitres précédents. Contrairement aux études sur les matériaux organiques conjugués qui s'inscrivent dans une approche « top-down », les travaux des chapitres III et IV suivent une approche « bottom-up », partant d'agrégats nanométriques préformés comme briques de constructions de matériaux nanostructurés.
Le chapitre IV présente une nouvelle thématique que je développe au sein de notre groupe et qui porte sur les agrégats nanométriques d'oxydes iono-covalents. Nous présentons les premiers résultats concernant le comportement de la liaison ionique dans ces matériaux à très faible taille ainsi que ses effets sur la structure, les propriétés électroniques et optiques de ces nano-objets.

Le principal fil rouge que l'on trouvera dans ces pages est mon intérêt pour les effets fondamentaux de l'échelle nanométrique sur les propriétés structurales et optiques. C'est la raison pour laquelle mes travaux de post-doctorat (chapitre I) peuvent apparaître moins développés que mes travaux de thèse (chapitre II) ou que mes travaux récents (chapitres III et IV). Cette répartition est intentionnelle.
En me basant sur l'expérience acquise, tant durant ma thèse qu'au sein du LPMCN, ainsi que sur l'environnement local actif dans le domaine des nanosciences, j'envisage de développer mes activités de recherches à court et moyen terme vers les systèmes et applications pour la nanooptique, avec en particulier, l'élaboration de nano-sources lumineuses originales selon les deux axes précédemment mentionnés, à savoir les nano-agrégats covalents d'une part et d'oxydes iono-covalents d'autre part. Ceci fait l'objet du chapitre V.

La spectrométrie Raman, mettant en jeu des phonons de longueur d'onde nanométrique, est une technique de choix pour l'étude des nanostructures. Elle met en évidence les effets de localisation ou de mélange des états électroniques. La cohérence spatiale des modes de vibration, à l'origine du phénomène d'interférence Raman, permet quant à elle de sonder de la structuration spatiale de la matière, tant d'un point de vue électronique qu'acoustique, ouvrant ainsi la voie vers des dispositifs de caractérisation intégrés. La spécificité de l'approche développée dans ce manuscrit réside dans la comparaison entre mesures et calculs de la section efficace de diffusion Raman. Elle apporte une compréhension quantitative des fréquences mais aussi des intensités des pics mesurés. Ainsi, cette démarche a permis d'identifier un nouveau mécanisme de couplage phonon-plasmon qui s'est avéré être le mécanisme dominant la diffusion Raman basses fréquences dans les nano-particules métalliques.

La structuration de matériaux transparents (verre, eau, ...) irradiés par des impulsions lasers intenses brèves (nanoseconde) et ultra-brèves (femtoseconde) trouve de nombreuses applications dans les domaines de la biomédecine, des nano-optiques ou encore de l'endommagement d'optiques par des lasers de puissance. Dans un premier temps, nous avons modélisé le processus d'éjection qui se produit lors du transfert d'un matériau liquide (eau, hydrogel) lorsque la cible est irradiée par un laser nanoseconde. Le matériau est ici chauffé par conduction thermique via un ablateur métallique, et l'éjection est réalisée via un processus purement hydrodynamique. Si l'on considère maintenant cette même technique réalisée avec un laser femtoseconde, on peut envisager de transférer des volumes de matière nanométriques, ce qui correspond à la taille typique d'une molécule. En régime femtoseconde, les processus d'absorption de l'énergie sont différents, de même que les échelles de temps sur lesquels ils se produisent. Si l'impulsion laser est suffisamment focalisée dans le matériau, un plasma se forme dans la zone d'absorption, où la densité d'énergie atteinte est supérieure à l'énergie de liaison des matériaux considérés (eau, silice, mica). Un modèle d'ionisation et de chauffage des électrons a été mis en place et a été couplé à un code de propagation instantanée des ondes électromagnétiques. Trois applications ont été étudiées, correspondant à trois configurations laser/cible différentes : (1) un processus de formation de jets liquides et solides prometteur pour la réalisation de nano-optiques, (2) la formation de nanocavités à l'intérieur d'un volume de silice pouvant servir comme stockage d'information, (3) l'étude des seuils d'endommagement et d'ablation de la silice en surface. Dans chaque cas, la densité d'énergie absorbée a été utilisé comme donné initiale pour le code d'hydrodynamique CHIC qui a permis de suivre l'évolution du matériau après l'irradiation : ondes de compression, changements de phase, etc... La résolution couplée de la propagation du laser et de son absorption dans la matière nous a permis de mener une étude à la fois qualitative et quantitative de l'interaction. La comparaison avec les données expérimentales a aboutit à l'amélioration du modèle d'absorption et de chauffage
Abstract

Aujourd'hui, la propagation de la lumière dans les
nano-matériaux diélectriques complexes est un sujet de recherche
riche et fascinant, tant pour ses implications fondamentales que
pour son impact technologique. Dans cette thèse, nous étudions les
effets d'interférence de la lumière dans les systèmes photoniques
quasi-ordonnés.

Dans des milieux diélectriques aléatoires, on peut décrire le
mouvement des photons mutiplement diffusés par une marche
aléatoire de diffuseur en diffuseur: la plupart des effets
d'interférence se moyennent alors à zéro, mais certains survivent
quand même au désordre et induisent des phénomènes non-triviaux.
Dans des milieux qui diffusent très fortement, la lumière pourrait
même devenir localisée et aucun transport ne serait possible. Dans
les milieux ordonnés, la périodicité conduit à des lois de
dispersion inhabituelles où les effect collectifs d'interférence
dominent: le transport est fortement dépendant de la fréquence, il
peut être sensiblement augmenté (interférences constructives) ou
complètement inhibé (interférences destructives).

Notre compréhension de la propagation des ondes lumineuses dans
les milieux ordonnés et désordonnés augmente rapidement, mais le
comportement dans le régime intermédiaire entre les deux extrèmes
-- ordre parfait et désordre complet -- est mal compris. Les
systèmes quasi-ordonnés brisent la symétrie de rotation ou de
translation et présentent des formes nouvelles et
non-conventionnelles de transport de la lumière. Les milieux
aléatoires qui diffusent anisotropiquement et les cristaux
liquides nématiques, les formes spéciales de cristaux photoniques
et les quasi-cristaux photoniques de Fibonacci sont des exemples
de systèmes quasi-ordonnés que nous étudions dans cette thèse.


Que se passe-t-il si une direction préférentielle de diffusion ou
un axe préférentiel de polarisabilité est présent dans un milieu
aléatoire ?
Comment la propagation de la lumière est elle modifiée dans une
structure périodique si un potential optique est superposé à la
structure cristalline ?

Dans cette thèse nous essayerons de répondre à ces questions, avec
des arguments théoriques, des simulations numériques et des
résultats expérimentaux.

La polarisation de la lumière, bien que connue depuis fort longtemps, pourrait être plus exploitée. Cependant, de plus en plus d’entreprises de pointe dans les domaines de la sécurité et la transmission d’information commencent à l’utiliser. Une raison de la sous-exploitation actuelle de la polarisation vient des méthodes de polarisation, qui ont une transmission de la lumière limitée (généralement jusqu’à 45%). Afin d’outrepasser cette limite physique, un moyen est d’utiliser des matériaux fluorescents émettant une lumière polarisée. Cependant, la synthèse et la purification de tels matériaux sont compliquées et obtenir les deux énantiomères n’est pas toujours possible. Ce travail se concentre sur une nouvelle méthode de synthèse, plus simple, utilisant des nano-structures hybrides ou inorganiques hélicoïdale, et des luminophores organiques pouvant interagir ensemble. L’agrégation chirale des chromophores autour des structures formera ainsi des nano-objets fluorescents chiraux. Le premier chapitre explique comment la chiralité est aujourd’hui présente dans tous les domaines et à toutes les échelles, des molécules aux objets du quotidien. Nous y étudierons également l’induction de la chiralité à différentes échelles. Le second aspect de ce travail, l’interaction lumière-matière, sera également mis en avant, aussi bien concernant l’absorption que l’émission lumineuse, mais aussi en quoi l’assemblage des molécules peut affecter ces propriétés. Nous nous pencherons également sur les cas très particuliers du dichroïsme circulaire et de la luminescence circulairement polarisée. Pour finir, nous verrons quels sont les matériaux actuels existant pour obtenir ces propriétés et quels sont leurs inconvénients. Afin d’outrepasser ces défauts, nous avons choisi d’utiliser deux systèmes. Le premier, constitué de nano-hélices organiques dans une coque de silice a pour avantage d’utiliser à la fois une induction de chiralité par assemblage des chromophores organiques, mais aussi une seconde induction de la chiralité à l’échelle moléculaire. L’inconvénient étant que ce système n’est pas très robuste à un changement d’environnement. Pour résoudre cet inconvénient, nous n’avons conservé, dans un second temps, que la coque de silice afin de l’utiliser comme patron pour supporter le greffage covalent de luminophores à sa surface. Dans le second chapitre, la méthode de synthèse des nano-structures sera présentée. De même le choix des différents luminophores utilisés dans ces travaux sera justifié, et leur voie de synthèse, expliquée. Enfin, les différentes méthodes de caractérisation seront détaillées. Le troisième chapitre portera sur les résultats obtenus lors de l’intégration de chromophores non-chiraux dans les hélices hybrides, ou leur de greffage sur les structures inorganiques. Nous y verrons l’importance à la fois de l’assemblage intermoléculaire, mais aussi de l’interaction avec un environnement chiral, pour l’induction de chiralité dans le but d’obtenir dichroïsme circulaire et luminescence circulairement polarisée. Les différents chromophores utilisés y sont présentés et comparés permettant la mise en évidence des principaux facteurs aidant à l’induction de chiralité pour chaque type de structure. Enfin, un dernier chapitre s’intéressera à des systèmes plus complexes utilisant des molécules présentant en solution des propriétés chiro-optiques, ou ayant la capacité de s’agréger en nano-structures ayant de telles propriétés, et ce afin de savoir si leurs propriétés sont ajustables grâce à l’utilisation des hélices hybrides pour leur imposer une agrégation spécifique. Une dernière approche a également été étudiée, en synthétisant des quantum-dots carbonés fluorescents à partir des nano-structures hybrides. Ces quantum-dots, s’ils conservent la forme de la structure initiale, pourraient posséder un dichroïsme circulaire et une luminescence circulairement polarisée sans besoin de les complexer avec une molécule chirale
The polarization of light, despite being known since long time, is recently at the center of renewed interest. More and more high technology companies in the fields of safety and information transmission are starting to exploit this property. One bottleneck for their use comes from the limitation in the light transmission of current methods of polarization (typically up to 45%). In order to overpass this physical limitation, one possible approach would be to use fluorescent materials emitting polarized light. However, the synthesis and purification of such materials is complex and obtaining both enantiomers is not always possible. The current work focus on a new synthetic pathway, possibly simpler and more versatile, using chiral hybrid or inorganic nano-helices and organic fluorophores interacting together. The aggregation of chromophores around the template will form chiral fluorescent nano-objects. The first chapter explains how chirality is present in many fields and at every scale, from molecules to daily objects. We will discuss the way of inducting or transferring chirality. The second facet of this work, light-matter interactions, will also be explained, concerning both absorption and emission of light, but also on how molecular assembly can affect these properties. We will study into detail the very particular case of circular dichroism and circularly polarized luminescence. Finally, we will see the existing systems that are used to obtain these properties and the drawback of these materials. In this work, we chose to use two systems. The first, constituted of organic nano-helices in a silica shell, has the advantage of using the organic template confined in chiral nano-space to induce chirality to the organic chromophores in interaction with them molecularly, but also through aggregation due to the confinement. The disadvantage being that this system is not robust toward environmental changes. The alternative approach is to use the silica shell as an inorganic template for the covalent grafting of fluorophores onto its surface. In the second chapter, the method for the synthesis of nano-structures is described, along with an explanation on the choice and synthesis of the chromophores used in this study. Finally, the characterization processes used are detailed. The third chapter will focus on the results we obtained when integrating achiral chromophores into hybrid helices or by grafting then onto the silica surface. We will see the importance of the intermolecular assembly and of the interaction with a chiral environment to obtain circular dichroism and circularly polarized luminescence through chiral induction. Various fluorophores are presented and compared allowing the understanding of the key parameters for chirality induction of each type of structure.In the last chapter, more complex systems are studied using molecules presenting chiroptical properties in solution state or having the ability to form self-assemblies showing such properties. The objective will be to tune the chiroptical properties of these chromophores, by the use of hybrid helices to force a specific organization. The last part will focus on the synthesis of fluorescent carbon based quantum dots using hybrid structures. These quantum dots, can retain the shape of the original structure and show circular dichroism or circularly polarized luminescence without needing to form a complex with an external source of molecular chirality

Les nano-antennes optiques constituent un élément clé pour le contrôle et l'intéraction lumière/matière à l'échelle nanométrique. Ces systèmes opèrent dans le domaine de l'optique visible et proche infrarouge. Les propriétés de ces composants sont contrôlées en modifiant la taille, la forme et le matériau utilisé. Ces paramètres sont ajustés par les processus de fabrication de l'antenne. Dans le domaine des radio-fréquences, le tuner permet d'ajuster la fréquence de résonance de l'antenne de façon dynamique. Nous avons dans le cadre de cette thèse voulu adapter ce concept de tuner au domaine de l'optique. Le principe employé consiste à changer la résistance de charge de l'antenne, c'est-à-dire l'indice du milieu électrique environnant. Pour cela, nous avons utilisé un matériau anisotrope constitué de molécules de cristaux liquides. L'indice optique est alors modifié par l 'application d'un champ électrique statique. Le changement des propriétés spectrales ainsi que de diffusion d'une antenne de type dimère sont ici démontrées.Toujours en analogie avec les antennes radio-fréquences, nous avons étudié la propriété de transduction électron-photon dans le cas des antennes optiques. Dans ce but, nous avons considéré deux configurations. La première concerne l'utilisation de nanotubes de carbone placés dans une configuration de transistor à effet de champ. Ces objets émettent de la lumière par une recombinaison de paires électrons-trous dans le domaine des longueurs d'ondes Télécom. La seconde configuration emploie des jonctions tunnels fabriquées par électro-migration. Dans ce cas là, la jonction est assimilée à une antenne à interstice. A cause des faibles dimensions des jonctions (autour de 1 nm), nous nous sommes intéressés à la réponse en optique non linéaire de ses objets. Cette technique permet de localiser la jonction tunnel grâce à une forte exaltation du signal. L'etude des différentes caractérisques de ses jonctions sont ici présentées. Une fois la transduction du signal réalisée par l'antenne radiofréquence, celui-ci est acheminé via une ligne de transmission. A l' échelle nanométrique, les guides plasmoniques s'avèrent être un type de structure approprié. Dans ce cas, les guides peuvent à la fois servir d''electrode mais aussi de guide. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié par microscopie à fuites radiatives, dans l'espace direct et réciproque, la plus simple des géométries : le guide ruban métallique. Nous avons cherché à comprendre, pourquoi ce type de structure présente une largeur de coupure.

A l'échelle nanométrique, les particules de métaux nobles possèdent des propriétés optiques fascinantes. Elles sont dominées par le phénomène de « Résonance de Plasmon de Surface » dont le profil spectral est très sensible à la taille, à la forme et à l'environnement des particules (milieu diélectrique extérieur, autres particules proches...). Ce travail de thèse a pour but une meilleure compréhension des processus fondamentaux responsables des modifications de la résonance de plasmon : d'une part en réalisant la spectroscopie d'extinction de nanoparticules « uniques » par la technique originale de Spectroscopie à Modulation Spatiale et d'autre part en caractérisant la morphologie de ces mêmes objets par une observation directe en Microscopie Electronique à Transmission. Cette double approche permet de corréler la réponse optique de nanoparticules (isolées ou bien en interaction (dimères)) avec leur forme ou leur arrangement spatial, et d'en faciliter ainsi la modélisation théorique.

L’un des enjeux du XXI siècle concerne la compréhension de la machine cellulaire. Le principal problème à l’heure actuelle que rencontrent les biologistes est la diffraction due à la nature ondulatoire de la lumière qui limite la résolution des instruments optiques. Dans cette thèse, nous avons montré pour la première fois que l’up-conversion présent dans les nanoparticules dopées terres rares pouvaient dépasser la limite d’Abbe. Nous avons montré que la résolution latérale dans notre microscope pouvait dépasser λ/5 bien supérieure à la limite d’abbe. Ce concept permet d’atteindre des résolutions proches de 180 nm pour des processus à 4 photons. Ces résultats sont intéressants, ils permettent d’obtenir des résolutions proches d’un microscope confocal, tout en conservant l’excitation infrarouge de faible puissance de l’ordre de quelques µW, permettant de nous s’affranchir d’un laser femto-seconde, et donc de développer un microscope multi-photon à bas cout
Major bottleneck in microscopic imaging is the limited lateral resolution due to the diffraction of light. To overcome this limit, here we demonstrate the up-conversion process in the rare earth doped nanoparticles, which may serve as an original fluorescence source mechanism. Rare earth doped nanoparticles, have been reported to serve as efficient bio-labels for cellular and small animal imaging. In this work, we demonstrate that non-linearity of up-conversion allows achieving high lateral resolution in the images using multiphoton microscopy, demonstrating significant improvement in lateral resolution, using low pumping laser power. This new technique may serve as another approach for high-resolution optical imaging

L’optimisation des processus physiques (couleur, mécanique) et chimiques (réactivité, densification, homogénéité / hétérogénéité) mis en oeuvre dans les Arts du Feu (verres, céramiques, émaux) a conduit très tôt les potiers, verriers et émailleurs à rechercher dans la nature ou à fabriquer, de façon empirique mais efficace, des matières premières ultrafines, nanométriques et même à produire des matériaux nanostructurés. Après avoir expliqué les avantages des particules submicroniques et dressé un bref survol de l’histoire de l’usage des principaux produits nanométriques naturels (argile, amiante, pozzolanes, chaux, os, coquilles. . . ) et synthétiques (particules de cuivre, d’argent, d’or, de semi-conducteurs, de graphites et carbones. . . ) en technologies céramique, verrière et d’émaillage, la nanostructure et les propriétés optiques des premiers dispositifs nano-optiques – les lustres céramiques, IXe siècle – sont explicitées. En conclusion les nouveaux usages des nanoparticules en optique, santé ou matériaux de construction sont abordés.