Dissertations / Theses on the topic 'Nano-Optiques'

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

Au cours des dernières années, les progrès technologiques dans le domaine de la nanophotonique ont permis le développement des nanostructures optiques. Ces dernières possèdent la particularité de modifier l'émission lumineuse de nanoémetteurs quantiques .Cependant, l’interaction lumière-matière est considérée comme étant véhiculée par le champ électrique. Les études se sont alors concentrées sur le contrôle et la modification des propriétés d'excitation et d'émission des transitions dipolaires électriques.Récemment, il a été décrit qu’il existe dans la nature des nanoémetteurs possédant des transitions magnétiques détectables : ces nanoémetteurs sont les ions lanthanides.Les nanostructures optiques développant des résonances magnétiques pourraient alors modifier l’émission et l’excitation de transitions dipolaires magnétiques, de la même manière que leurs homologues électriques.Dernièrement , il a été démontré théoriquement que certain type de nanostructure, peuvent renforcer le champ magnétique optique par deux ordres de grandeur et qu’une fois couplé à un dipôle magnétique, ils peuvent augmenter fortement la fluorescence des transitions magnétiques comme celle qui que se trouve dans les ions de lanthanide.Une étude publiée dans Physical review letters, a rapporté qu’il était aussi possible d’étudier l’excitation de transitions dipolaires magnétiques.L’objectif de ma thèse a donc été d’utiliser certaines nanostructures ayant des affinités particulières avec le champ magnétique afin d’étudier et de manipuler l’émission et l'absorbption de transitions dipolaires magnétiques
During the last years, technological progresses in the field of nanophotonic have allowed the development of optical nanostructures to manipulate the emission of fluorescent nanoemitters . However, light-matter interactions are usually considered to be mediated by the optical electric field only, discarding the magnetic side of it. Indeed, most of the past studies have been only studying the modification of the excitation or emission properties of electric dipole transitions. Recently, it was demonstrated that magnetic dipole could also be found in lanthanide ions. It was also shown that by changing the magnetic local density of states near these ions, the emission fluorescent of the magnetic transitions could be enhanced or decreased with respect to their electric counterpart. In here, we demonstrate experimentally, in perfect agreement with numerical simulations, the manipulation of magnetic and electric dipolar transitions by means of plasmonic cavities. Using a near-field scanning optical microscope (NSOM), we bring in close proximity a nanoparticle doped with trivalent europium to plasmonic cavities of different sizes made of aluminum , allowing perfect control over the interactions between the emitter and the nanostructures. In this study, we show both an increase and decrease of electric and magnetic signal from the particle, and we also display the spatial distribution of both the electric and magnetic radiative local density of state at the surface of the cavities.Therefore, this work pave the way to the understanding of ‘magnetic light’ and matter interactions

La loi de Moore qui décrit la microélectronique depuis plus de 30 ans est encore envisagée pour la décade à venir. Les technologues seront alors capables de réaliser des structures d'une dizaine de nanomètres et même en dessous. Cependant, les propriétés macroscopiques appliquées jusqu'à présent ne seront plus applicables pour de telles dimensions. Pour dépasser les barrières physiques qui résulteront de ce passage à l'échelle du nanomètre, il conviendra d'apprendre à utiliser les nouvelles lois physiques au rang desquelles nous pouvons citer le confinement quantique, le blocage de Coulomb ou l'effet tunnel. Le propos de cette thèse s'inscrit dans la compréhension des nouvelles propriétés physiques de l'électronique de demain : elle propose une caractérisation des propriétés électroniques des nanostructures de silicium. Le premier chapitre sera le cadre d'une démonstration du changement des caractéristiques du silicium lorsque les dimensions atteignent quelques nanomètres. En parallèle à cette description, les dispositifs envisagés seront présentés avec les procédés technologiques associés. Dans le chapitre II, une caractérisation optique des boîtes de silicium est proposée. L'objectif est de démontrer les effets du confinement quantique à l'aide d'études de photoluminescence et d'absorption,. Le chapitre III est réservé aux études de transport afin de comprendre et modéliser l'influence de nodules de silicium dans une matrice d'oxyde. Enfin, le chapitre IV est orienté vers l'interprétation des cinétiques de capture et de rétention de charges par les nodules nanométriques de silicium pour des applications mémoires
The Moore's law which has described micro-electronics for more than 30 years is still planned for the next decade. The technologists will be able to carry out structures of ten nanometers and even below. However, the macroscopic properties actually used will not be applicable any more for such dimensions. To overcome the physical barriers which will result from this passage on the scale of the nanometer, it will be advisable to learn how to use the new physical laws like quantum confinement, Coulomb blockade or tunnel effect. The matter of this thesis falls under the comprehension of the new physical properties of the electronics of tomorrow: it proposes a characterization of the electronic properties of silicon nanostructures. The first chapter describes the change of silicon characteristics when dimensions reach some nanometers. We will focus how to use this new physics in original devices. The associated technological processes will be presented. In the chapter II, an optical characterization of the silicon dots is proposed. The aim is to show the effects of quantum confinement using photoluminescence and of absorption studies. Chapter II is devoted to current transport in order to understand and model the influence of silicon nodules in an oxide matrix. Lastly, chapter IV is dedicated to the description of the charging and discharging kinetics. We model the silicon dots behavior for memories applications

Les métasurfaces optiques sont des composants optiques composées d'un ensemble de nanostructures qui interagissent fortement avec la lumière, modifiant ainsi considérablement ses propriétés sur une épaisseur sub-longueur d'onde. Elles permettent de créer des optiques planes, légères et pouvant combiner plusieurs fonctionnalités (modulation du front d'onde et contrôle de la polarisation par exemple). Nous décrivons ici les travaux concernant la conception, la fabrication et la caractérisation de métasurfaces optiques. Dans le premier chapitre, après une introduction sur l'historique des métasurfaces, nous présentons les outils de simulation GDM (Green Dyadic Method) et FDTD (Finite Difference Time Domain), permettant la simulation de la réponse optique de nanostructures. Dans le second chapitre est d'abord présentée la méthode de design utilisée. Celle-ci implique la création d'une base de données des réponses optiques de nanostructures diverses, obtenues par simulations FDTD. Ensuite, nous présentons le processus de fabrication utilisé, faisant intervenir une structuration par lithographie électronique. Nous introduisons également les outils de mesures utilisés pour caractériser les composants fabriqués. Dans le troisième chapitre, nous détaillons le design, la fabrication et la caractérisation d'une métasurface faisant office de déflecteur de lumière pour la longueur d'onde 750 nm. Cette métasurface est composée de nanodisques de silicium de hauteur 370 nm et de diamètres variant de 114 nm à 208 nm, répartis sur une grille périodique de pas 300 nm. Puis, nous identifions l'origine des différences entre les performances mesurées et celles prédites par les simulations. Dans un premier temps, des observations TEM nous permettent de caractériser précisément les nanostructures fabriquées et de les comparer aux designs théoriques. Nous étudions ainsi l'impact de ces différences sur les performances optiques du métadéflecteur fabriqué au moyen de simulations numériques. Nous considérons les erreurs systématiques (cad identiquement appliquées à toutes les structures) et statistiques. De ces études, nous en concluons que certaines imprécisions, associées à la forme latérale des structures (diamètre, pente des flancs, couche d'oxyde sur les flancs) sont très impactantes alors que d'autres semblent négligeables (hauteur, couche d'oxyde au-dessus). Dans le quatrième chapitre, nous utilisons une méthode de caractérisation optique basée sur une imagerie de phase : la ptychographie. Cette méthode consiste en un traitement numérique d'un grand nombre de clichés de diffractions, acquis suite à l'éclairement de différentes portions d'un objet à imager. Tout d'abord, un historique de la méthode ainsi que son principe de fonctionnement sont présentés. Ensuite, nous décrivons le banc expérimental utilisé tout en justifiant comment optimiser la résolution finale de reconstruction. Enfin, nous montrons l'efficacité de la méthode par la caractérisation de deux métasurfaces, dont une métalentille pour laquelle nous extrayons le profil de phase afin d'en évaluer les performances. Finalement, dans le cinquième et dernier chapitre, nous présentons une nouvelle approche pour la conception de métasurfaces.[...]
Optical metasurfaces are optical components composed of a set of nanostructures that interact strongly with light, thus considerably modifying its properties over a thickness smaller than the wavelength. They offer the advantage of creating flat, lightweight optics that can also combine several functionalities (wavefront modulation and polarization control for example). Moreover, they represent a very active field of research because of their high potential. We describe here our work concerning the design, fabrication and characterization of optical metasurfaces. In the first chapter, after an introduction on the history of metasurfaces, we present the simulation tools GDM (Green Dyadic Method) and FDTD (Finite Difference Time Domain), which allow the simulation of the optical response of nanostructures. In the second chapter, the design method used is presented. It involves the creation of a database of optical responses of various nanostructures, obtained by FDTD simulations. Then, we present the fabrication process used, involving structuring by electron beam lithography. We also introduce the measurement tools used to characterize the fabricated components. In the third chapter, we detail the design, the fabrication and the characterization of a metasurface acting as a light deflector for the 750 nm wavelength. This metasurface is composed of silicon nanodiscs of height 370 nm and diameters varying from 114 nm to 208 nm. These nanodiscs are arranged on a periodic grid of 300 nm pitch. Then, we focus on identifying the origin of the differences between the measured performances and those predicted by the simulations. Thus, we study the impact of possible nanofabrication errors on the optical performances of metasurfaces based on the meta-deflector that we had fabricated. First, TEM observations allow us to characterize precisely the fabricated nanostructures and to compare them with the theoretical design. We then study the impact of these differences on the optical performances of the fabricated meta-deflector by means of numerical simulations. We study the case where the errors are systematic (i.e., identically applied to all structures) and statistical. From these studies, we conclude that some imperfections, related to the lateral shape of the structures (diameter, slope of the sides, oxide layer on the sides) are very impacting while others seem negligible (height, oxide layer above). In the fourth chapter, we use an optical characterization method based on phase imaging called ptychography. This method consists of a digital processing of a large number of diffraction images, acquired following the illumination of different portions of an object to be imaged. First, a history of the method and its operating principle are presented. Then, we describe the experimental bench used while justifying how to optimize the final resolution of reconstruction. Finally, we show the efficiency of the method by characterizing two metasurfaces, including a metalens for which we extract the phase profile in order to evaluate its performance. Finally, in the fifth and last chapter, we present a new approach for the design of metasurfaces using ptychography. [...]

Nous avons construit une expérience de pinces optiques basée sur l'utilisation d'un microscope optique inversé. Deux classes de micro objets ont été étudiées : 1 - Des particules colloïdales sphériques ou approximativement sphériques, soit homogènes tels des colloïdes de silice pure élabores par méthode sol-gel ou des billes commerciales de latex, soit inhomogènes tels des particules composites constituées d'un coeur métallique d'or entouré d'une coquille de silice. 2 - Des micro-monocristaux d'une molécule organique fluorescente présentant une forme non sphérique, parallélépipédique. Notre étude a démontré un piégeage efficace même sur les plus petites particules contenant un noyau d'or. Pour les nanoparticules hybrides d'or-silice, la constante élastique du piège optique expérimentalement mesurée est plus forte que pour les nanoparticules de silice avec un diamètre semblable. Ce résultat est en accord avec un modèle simple fondé sur l'accroissement de la polarisabilité de la particule dû à la présence du noyau d'or. L'influence de la polarisation de la lumière a été étudiée et nous avons discuté le choix du détecteur de position. Les microcristaux organiques s'orientent de sorte que leur axe long soit dans la direction axiale du faisceau de piégeage, l'axe court suit la direction de la polarisation linéaire du faisceau. En polarisation circulaire ou elliptique, les cristaux se mettent spontanément en rotation avec des vitesses de rotation tout à fait élevées, jusqu'à 500 tours par seconde. C'est la première fois qu'un tel résultat est reporté pour des particules de la taille de nos cristaux. Un autre résultat surprenant est que lorsque la puissance incidente augmente, la vitesse de rotation augmente aussi comme attendu mais après passage par un maximum, alors que la puissance continue de croître, la vitesse de rotation diminue jusqu'à arrêt complet de la rotation, et cette évolution n'est pas réversible ! La thèse présentée est une thèse réalisée dans un cadre de cotutelle entre l'Université Paris 11 et l'Institut Supérieur des Sciences et Techniques Avancées - Université de La Havane à Cuba
We built an experiment of optical tweezers based on the use of an inverted optical microscope. Two classes of micro objects were studied : 1 - spherical or roughly spherical colloidal particles, either homogeneous such as colloids of pure silica elaborated through a sol-gel method or commercial latex balls, or inhomogeneous such as composite particles made up of a metal gold core embedded in a silica shell. 2 - micro-single crystals of a fluorescent organic molecule presenting a nonspherical, parallelepipedic form. Our study showed an effective trapping even on the smallest particles containing a gold core. For the hybrid gold-silica nanoparticles, the elastic constant of the optical trap measured in experiments is stronger than for the silica nanoparticles with a similar diameter. This result is in agreement with a simple model based on the increase in polarizability of the particle due to the presence of the gold core. The influence of the polarization of the light was studied and we discussed the choice of the detector of position. The organic microcrystals are directed so that their long axis is in the axial direction of the trapping beam; the short axis follows the direction of the linear polarization of the beam. In circular or elliptic polarization, the crystals are put spontaneously in rotation with high speed up to 500 turns per second. It is the ¯rst time that such a result is deferred for particles of the size of our crystals. Another surprising result is that when the incident power increases, the rotation speed also increases as expected but after the passage by a maximum, whereas the power continues growing, the rotation speed decreases until complete stop of rotation, and this evolution is not reversible ! The thesis presented is a thesis carried out within a framework of cotutelle between the University Paris 11 and the Higher Institute of Science and Advanced Technologies - Havana University in Cuba

Les micros ou nanostructures diffractantes sont utilisées depuis de nombreuses années pour sécuriser les documents sensibles, comme les cartes d'identité, les documents de voyage tels que passeports, visas, ou encore les documents fiduciaires. Cependant, le développement des techniques de reprographie et l'implication croissante des organisations criminelles rendent la contrefaçon des documents imprimés de plus en plus accessible. Jusqu'ici, les techniques de fabrication et surtout de réplication des structures diffractantes utilisées pour la protection anti-fraude imposaient une limitation sur l'épaisseur des structures qui typiquement ne pouvaient pas dépasser quelques centaines de nanomètres. Mes travaux de thèse s'inscrivent dans la recherche puis le développement des techniques, très avant-garde, de réalisation et de réplication de structures comportant un relief vertical pouvant atteindre plusieurs microns. La disponibilité de ce type de structures épaisses ouvre de nombreuses possibilités de nouvelles fonctions optiques et donc une nouvelle barrière importante contre la falsification des documents de sécurité
Diffractive micro/nano structures are used for many years to secure sensitive documents such as identity cards, travel documents (passports, visas...). However, the development of reprographic techniques and the increasing involvement of criminal organizations make counterfeiting of printed documents more accessible. Until now, the manufacturing techniques and especially replication of diffractive structures used for anti-fraud protection imposed a limitation on the thickness of the structures that typically could not exceed a few hundred nanometers. My PhD work is part of the research and the development of very advanced mastering and replication techniques which can, thereafter, realize structures with a vertical relief of up to several microns. The availability of this type of thick structure opens many possibilities for new optical functions and thus a new major barrier against counterfeiting

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.

Ce travail de thèse constitue une contribution à la modélisation numérique de nouveaux dispositifs optiques à base des nano-structures de la photonique tel que les cristaux photoniques, les nano-antennes plasmoniques ou les métamatériaux à transmission exaltée. L’objectif est d’exploiter les propriétés de confinement de la lumière dans ces structures pour exalter davantage ce confinement ou les utiliser comme source de piégeage afin de manipuler des nano-particules métallo-diélectriques résonantes ou non-résonantes. La première partie est consacrée à la modélisation du champ électrostatique local généré par l’application d’une tension continue aux bornes de deux électrodes, sur un diélectrique nano-structuré jouant le rôle de matériau actif dans des modulateurs électro-optiques. L’idée est d’exalter les champs électrostatique et optique locaux dans le matériau pour induire une modification plus conséquente de son indice local, conduisant ainsi à une amplification des effets non-linéaires dans ce dernier. Nous avons notamment montré qu’en optimisant la forme géométrique des électrodes et des paramètres géométriques de la structure, le champ électrostatique local peut être exalté davantage dans le matériau d’un facteur 6.La deuxième partie concerne la modélisation des forces et moments optiques agissant dans des nano-structures par la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD). Après avoir présenté le principe de calcul des forces et moments optiques, une application a été considérée pour étudier le mouvement de translation et de rotation d’un disque diélectrique placé à la sortie d’une lame quart d’onde à base de métamatériau formé d’ouvertures coaxiales à section elliptique gravées dans un film métallique opaque. D’autre part, nous avons montré qu’une pince optique à base d’une nano-antenne Diabolo peut être utilisée pour trier et arranger des nano-particules diélectriques en fonction de leur dimension en maniant la longueur d’onde du faisceau incident. La troisième et dernière partie est dédiée à l’étude de piégeage de nano-particules métallo-diélectriques et au couplage entre différents nano-résonateurs en fonction de la distance qui les sépare et en fonction de leurs natures. Une étude approfondie et détaillée est présentée pour analyser et comprendre les comportements de ces nano-résonateurs à l’échelle sub-longueur d’onde. Une application a été traitée portant sur le piégeage de nano-particules diélectriques par une nano-pince optique à base d’un cristal photonique couplé à une nano-antenne Bowtie
This thesis work is a contribution to the numerical modeling of new optical devices based on photonic nano-structures such as photonic crystals, plasmonic nano-antennas or enhanced-transmission metamaterials. The objective is to enhance the light confinement in these structures to further use it as a source of trapping to manipulate resonant or non-resonant metallo-dielectric particles.The first part is devoted to the modeling of the local electrostatic field generated by the application of a DC voltage across two electrodes, on a nano-structured dielectric acting as an active material in electro-optical modulators. The idea is to enhance the local electrostatic and optical fields in the material to induce a more substantial modification of its local index, thus leading to an amplification of its nonlinear effects. In particular, we have shown that by optimizing the geometrical shape of the electrodes, the local electrostatic field can be further exalted inside the material leading to exacerbate the electro-optical effect by a factor 6.The second part concerns the modeling of optical forces and moments acting in nanostructures by the Finite Difference Time Domain Method (FDTD). After presenting the principle of modeling of the optical forces and torques, a specific application is considered to study the translational and rotational motions of a dielectric disk placed at the output side of a quarter-wave plate made of metamaterial formed of coaxial apertures with elliptical section engraved in an opaque metal film. On the other hand, we show how an optical tweezer based on Diabolo nano-antennas can be used to sort and arrange dielectric nanoparticles according to their size by tuning the wavelength of the incident beam.The third and last part is dedicated to the study of optical trapping of metallo-dielectric nano-particles and the coupling between different optical nano-resonators according to the distance separating them and according to their natures. A detailed study is presented to analyze and understand the properties (scattering, absorption, extinction,) of these nano-resonators at the sub-wavelength scale. An application has been processed on the trapping of dielectric nano-particles by an optical nano-tweezers based on a photonic crystal coupled to a Bowtie nano-antenna

Les pinces optiques permettent de piéger et de manipuler des objets sans contact physique avec de la lumière et ce avec une extrême précision. Son caractère non-invasif et non-destructif en fait un outil idéal pour des applications dans des domaines tels que la biophysique et la médecine. La pince optique conventionnelle utilise un faisceau lumineux fortement focalisé par un objectif de microscope.La fibre optique est un composant très intéressant dans ce domaine puisqu'elle permet de guider la lumière et de piéger optiquement des objets sans l'utilisation de composants optiques encombrants et en limitant des étapes d'alignement. Elle donne ainsi une grande flexibilité et compacité aux pinces optiques.Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse a été de développer une pince optique à deux fibres nano-structurées dans le but de piéger des particules de taille micro et nanométrique.Notre pince est constituée de deux fibres optiques gravées chimiquement en forme de pointe et positionnées en vis-à-vis à des distances typiques de 20 nm à 20 µm. Cette configuration à deux faisceaux contra-propagatifs permet d'annuler la pression de radiation de la lumière. Elle a l'avantage d'obtenir un piégeage efficace pour des intensités lumineuses relativement faibles. En outre, les faisceaux ne doivent pas nécessairement être fortement focalisés. Notre dispositif présente une grande souplesse grâce au contrôle in-situ de la position des fibres, l'injection de la lumière dans les fibres et la manipulation de particules individuelles sans aucun substrat.Au cours de ces travaux, nous avons démontré expérimentalement le piégeage stable et reproductible d'une ou plusieurs particules en suspension. Divers types de particules diélectriques ont été piégées, allant de la particule en polystyrène d'un micromètre à des particules luminescentes de YAG:Ce mesurant 60 nm de diamètre. Ces dernières ont été élaborées et optimisées spécifiquement pour le piégeage optique lors de ces travaux.Nous avons également mesuré les forces optiques appliquées aux particules piégées en analysant leur mouvement Brownien résiduel. Nous avons démontré que le potentiel de piégeage était harmonique, nous permettant de définir la constante de raideur optique.Enfin nous avons démontré qu'en modifiant la forme du faisceau optique d'émission, il était possible d'améliorer certaines caractéristiques de la pince. D'une part, les faisceaux quasi-Bessel qui sont très peu divergents nous ont permis de réaliser un piégeage stable et efficace à grande distance.D'autre part, l'utilisation de pointes métallisées permet de confiner le champ et d'améliorer les forces optiques tout en diminuant l'intensité lumineuse. Nous avons mis en évidence le couplage en champ proche entre deux pointes métallisées qui ont été spécialement élaborées pour la pince. Ces derniers résultats ouvrent des perspectives encourageantes pour le développement d'une pince plasmonique fonctionnant en champ proche qui est particulièrement bien adaptée pour le piégeage de nanoparticules
Optical tweezers allow to trap and manipulate objects without any mechanical contact with light and with an extreme accuracy. This non-invasive and non-destructive technique is of large interest in many scientific domains such as biophysics and medicine. Conventional optical tweezers use a laser beam which is strongly focalised by a microscope objective.The use of optical fibers attracts increasing attention as highly flexible and compact tools for particle trapping. Fiber-based optical tweezers do not require bulky optics and require only little alignments.In this context, the objective of this thesis was to develop a dual fiber nano-tip optical tweezers in order to trap particles with micro and nano-meter sizes. Our tweezers consist of two chemically etched optical fiber tips placed in front of each other with typical gaps from 20~nm to 20~µm. This dual contra-propagative beams configuration allow to cancel light radiation pressure. Efficient trapping can thus be obtained at relative low light intensities. Moreover, strong focusing is not required. Our device present an high flexibility due to in situ optimization and control of the fibre positions and individual particle manipulation without any substrate.During our work, we experimentally demonstrated stable and reproducible trapping of one or several particles in suspension. Various dielectric particles were trapped, from one micrometer polystyrene beads to luminescent YAG:Ce particles with diameters down to 60~nm. During this thesis, the latter were specifically elaborated and optimized for the optical trapping. We also measured optical forces applied to trapped particles by analysing their residual Brownian motion. We showed the trapping potential is of harmonic shape, allowing to define its optical stiffness.vspace{10pt}Finally, by modifying the emitted optical beam shape, we were able to improve specific tweezers characteristics. On one hand, nondiffracting quasi-Bessel beams allow us to get a stable trapping at large fiber-to-fiber distances.On the other hand, the use of metallised fiber tips allows to improve the beam confinement and enhance optical forces while reducing light intensity. We proved the near-field coupling between two metallised tips which were especially elaborated in this work. Those last results open promising perspectives for the development of plasmonic tweezers working in the near-field, which are especially well adapted for nano-particles trapping

Ce travail de thèse s'inscrit dans les efforts actuellement réalisés, pour améliorer l'efficacité des pinces optiques conventionnelles qui permettent de manipuler sans contact des objets de quelques dizaines de nanomètres à quelques dizaines de micromètres avec une extrême précision et trouvent de nombreuses applications en biophysique et sciences de colloïdes.L'objectif de cette thèse a été d'explorer une nouvelle approche pour la réalisation de Nanopinces Optiques. Elle s'appuie sur l'utilisation de cavités à cristaux photoniques à modes de Bloch lents. Ces cavités peuvent être efficacement et facilement excitées par un faisceau Gaussien à incidence normale. Contrairement aux pinces optiques conventionnelles, des objectifs à faibles ouvertures numériques peuvent être utilisés. Les performances attendues en termes de piégeage vont bien au-delà de limitations imposées par la limite de diffraction pour les pinces conventionnelles. Ce travail démontre expérimentalement l'efficacité de l'approche. Cette thèse comporte deux parties principales. Dans un premier temps, il a fallu monter un banc expérimental pour mener nos études. Nous avons construit un banc optique, interfacé les instruments, et développé des applications logicielles pour analyser les données. Deux éléments importants ont présidé à sa construction : - Le développement d'un système optique permettant d'exciter les nanostructures photoniques - la conception d'un système d'imagerie pour suivre les nanoparticules. La seconde partie de ce travail a porté sur la mise en évidence du piégeage optique à l'aide de nanostructure à base de cristaux photonique. Nous avons d'abord montré que même des cavités possédant des coefficients de qualités modérés (quelques centaines) permettait d'obtenir des pièges optiques dont l'efficacité est d'un ordre de grandeur supérieur à celui de pinces conventionnels. Fort de ce résultat, nous avons exploré un nouveau type de cavité à cristaux photoniques s'appuyant sur une approche originale : des structures bi-périodiques. Nous avons montré qu'à l'aide de cette approche des facteurs de qualités de l'ordre de plusieurs milliers étaient facilement atteignable. A l'aide de ces nouvelles structures, nous sommes arrivés aux résultats le plus important de ce travail : le piégeage de nanoparticules de 250nm de rayon avec une puissance optique incidente de l'ordre du milliwatt. Une analyse fine du mouvement de la nanoparticule, nous a permis de trouver la signature du mode de Bloch lent.

Les matériaux nanocomposites formés à partir de particules métalliques incluses dans une matrice diélectrique présentent des propriétés inusitées que l'on ne retrouve pas dans les matériaux massiques étant donné la taille nanométrique des particules métalliques. Notamment, la résonance des électrons de conduction du métal sous l'excitation d'une lumière incidente, appelée résonance plasmon de surface (spr), donne lieu à l'apparition d'une bande d'absorption dans le visible ayant une influence drastique sur les propriétés optiques du nanocomposite. La position, la largeur et l'amplitude de cette bande d'absorption sont des fonctions complexes des caractéristiques nano-structurales du nanocomposite, notamment : la nature et la concentration du métal, la taille des nanoparticules, leur forme, l'indice de réfraction de la matrice, etc. Spécifiquement, la présence de particules asymétriques, comme par exemple des particules de forme nano ellipsoïdale, permet l'observation de bandes d'absorption spr multiples résultant en un matériau non-symétrique possédant des propriétés anisotropes. Dans cette thèse, nous présenterons le développement et l'analyse de techniques avancées de fabrication permettant le contrôle précis de la synthèse d'un nanocomposite formé de nanoparticules d'or incluses dans une matrice de silice. Nous avons développé une technique en trois étapes permettant de fabriquer des couches nanocomposites comprenant des particules de tailles et de formes contrôlées. Ces étapes sont : 1) dépôt hybride pulvérisation/dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma, 2) recuits thermiques, 3) irradiation à l'aide d'un faisceau d'ions de haute énergie. Subséquemment, la performance optique des matériaux fabriqués a été testée par différentes techniques afin d'en évaluer les propriétés linéaires et non-linéaires. Les premières ont été étudiées par ellipsométrie et spectrophotométrie alors que les deuxièmes l'ont été par les techniques P-Scan et Z-Scan. Plus précisément, nous nous sommes intéressés à la métrologie et au contrôle de l'anisotropie des propriétés du système nanocomposite formé par faisceau d'ions. Une nouvelle approche de mesure des propriétés optiques non-linéaires anisotropes sera présentée. Dans ce document, le lecteur retrouvera une description théorique exhaustive des propriétés optiques (linéaires et non-linéaires) des matériaux nanocomposites métal/diélectrique incluant des modèles détaillés pour la description des propriétés de chacun des constituants du nanocomposite : métal (Drude, Lorentz) et diélectrique (Cauchy).

Le graphène et les nanotubes de carbone, assimilés à des nano-systèmes graphitiques, partagent des propriétés mécaniques, optiques, électroniques et vibrationnelles uniques. Associant faible masse, grande rigidité et comportement semi-transparent, des membranes de 10 à 100 couches de graphène ont été suspendues au dessus d'un substrat réfléchissant, formant ainsi un résonateur mécanique couplé à une cavité optique. Le projet de cette thèse repose sur les diffusions élastiques et inélastiques de la lumière pour sonder les contraintes mécaniques et les effets thermiques dans ces nano-systèmes graphitiques. Ce type de mesure repose sur la spectroscopie Raman, sensible aux phonons optiques du matériau sondé. Un premier aspect du présent projet de thèse porte sur l'utilisation de cavités optiques à base de graphène comme élément de base pour constituer un système hybride. Après avoir déposé une couche de molécules à la surface de ces membranes, nous avons montré que le signal Raman des molécules est exalté par un effet d'interférences optiques constructives. Nous avons mis en évidence la possibilité de moduler ce signal en se déplaçant le long de l'échantillon, ou en variant la position de la membrane à l'aide d'une actuation électrostatique. De plus, on peut observer des effets thermiques importants associés aux phénomènes d'interférences optiques dans ces membranes à base de graphène. Le second axe de cette thèse est la détection du mouvement et des contraintes mécaniques dans un résonateur graphitique (membranes de graphène multicouche, nanotubes, etc.). Au travers d'expériences menées sur des membranes suspendues de graphène multicouche, nous avons détecté la résonance mécanique de deux façons : en analysant la modulation de la lumière réfléchie et en mesurant les variations de la réponse Raman du résonateur. Cette détection, reposant sur l'augmentation des contraintes mécaniques à résonance, associe le mouvement mécanique du résonateur à un décalage en énergie des photons Raman et représente un schéma original de couplage optomécanique.

La détection et l'analyse de faibles quantités physiques, chimiques ou biologiques, in situ, dans des environnements difficiles d'accès, a un impact important dans de nombreux domaines scientifiques, médicaux et industriels. Même s'il est l'un des meilleurs éléments en termes de miniaturisation pour relever ce défi, le concept de "Lab-on-tip", cloisonné au cœur de la fibre, présente une résolution de détection restreinte. L'objectif de ma thèse est d'explorer une nouvelle génération de "Lab-on-tip" basée sur l'interconnexion optique, de différents cœurs d'une fibre multicœurs, ou deux fibres à cœurs uniques. Cette approche repose sur des plateformes nano-optiques à base d'ondes de surface de Bloch développées à l'extrémité de fibre. Les ondes de surface de Bloch sont des modes électromagnétiques évanescents se propageant sur des distances millimètriques à la surface d'un cristal photonique unidimensionnel. Ces ondes de surface sont utilisées à la fois pour interconnecter les cœurs de fibre et sonder leur environnement. Des réseaux de diffraction sublongueur d'ondes sont gravés au-dessus de chaque cœur afin de coupler les modes de fibre aux ondes de surface de Bloch. Nous avons développé deux plateformes nano-optiques à l'extrémité de fibres à quatre cœurs et une plateforme sur la facette d'une férule à deux fibres monomodes standard. Nous avons démontré un couplage cœur à cœur contrôlable par la polarisation de la lumière incidente, permettant la mise en œuvre de fonctions de détection agiles et de démultiplexage. Ces plateformes ont été testées comme réfractomètres pour la détection de composés organiques volatiles. Ces structures permettent d'entrevoir des capteurs où l'excitation lumineuse et les signaux de détection empruntent des canaux différents à travers la fibre optique, permettant un processus de détection simplifié et une optimisation du rapport signal-à-bruit. Ces micro-plateformes optiques intégrées sur fibre sont exploitables dans un large éventail d'applications incluant les capteurs, le piégeage et la manipulation optique et le traitement de l'information
The in-situ detection and analysis of small physical, chemical, or biological quantities in hard-to-reach environments is significantly impacting numerous scientific, medical, and industrial fields. Despite being a leading miniaturized solution for this challenge, the "Lab-on-tip" concepts, usually confined at the fiber core, face limitations in detection resolution. My thesis aims to explore a new generation of "Lab-on-tip" systems, based on a core-to-core optical interconnection at the fiber tip, either between various cores of an individual multicore fiber or two standard single-core fibers. This innovative approach leverages nano-optical platforms based on Bloch surface waves. Bloch surface waves are evanescent electromagnetic modes that propagate over millimeter distances on the top surface of a one-dimensional photonic crystal. These waves ensure core-to-core optical interconnection and the probing of their environment. The fiber modes and the Bloch surface waves are coupled by milling subwavelength diffraction gratings above each core, on top of the photonic crystal. We have developed three nano-optical platforms: two at the end of four-core fibers and another on the end-face of a ferrule combining two standard single-mode fibers. Our experiments demonstrated core-to-core coupling that can be controlled by the polarization of the incident light, enabling agile detection and demultiplexing functions. These platforms have been tested as refractometers for detecting volatile organic compounds, showcasing their potential as sensors. Our fiber-integrated architectures allows for light excitation and detection signals to travel through different channels within optical fibers, simplifying the detection process and optimizing signal-to-noise ratio. These fiber-integrated nano-optical platforms hold promise for a wide array of applications, including sensing, optical trapping and manipulation, and information processing

L'échelle moléculaire est de plus en plus considérée comme une solution alternative pour la miniaturisation des composants électroniques en vue de la construction de dispositifs fonctionnels. L'approche actuelle "top-down" basée sur la technologie du silicium force les chimistes du solide, les physiciens et les électroniciens à manipuler progressivement des quantités de matière de plus en plus faibles. Dans ce domaine, les dispositifs moléculaires offrent des perspectives remarquables avec des niveaux de sensibilité et de sélectivité qui ne peuvent pas être atteints avec les matériaux à semi-conducteurs conventionnels. Dans ce contexte, les complexes ou polymères de coordination représentent une classe importante de composés possédant des propriétés de commutation magnétiques, optiques et électrochimiques intéressantes. En particulier, les composés à transition de spin (transition intra-métallique de l'état haut spin vers l'état bas spin) des métaux de transition sont bien adaptés à cette stratégie car ils peuvent être le siège d'une transition réversible du premier ordre avec hystérésis sous l'effet d'une perturbation extérieure (température, pression ou éclairement) impliquant des modifications magnétique, optique et structurale. Dans ces travaux de thèse, des matériaux susceptibles de présenter des propriétés de bistabilité avec hystérésis autour de la température ambiante sont présentés et discutés. Un des objectifs est d'étudier l'évolution de leurs propriétés en fonction de la taille et de valoriser ces matériaux. Pour cela, ces composés ont été nano-structurés. Ainsi nous avons élaboré des nanoparticules à base de composé à transition de spin par différentes voies de synthèse et réalisé des films minces et des nanostructures de ces matériaux par des méthodes de lithographie douce et de lithographie électronique. Pour caractériser les propriétés de ces nouveaux objets, nous nous sommes orienté vers l'utilisation de nouvelles techniques de détection optiques et en particulier vers des techniques qui permettent la mesure de la variation du changement d'indice optique de ces matériaux, à savoir, des mesures de la variation des plasmons de surface lorsque des couches minces bistables de ces composés sont mises au contact de surface d'or et des mesures de variation de l'efficacité de diffraction à partir de réseaux de motifs de tailles micro- et nanométriques. Par ailleurs, une méthode basée sur la variation de l'intensité de fluorescence d'un fluorophore sélectionné et intégré au sein de composé mixte (composé à transition de spin - fluorophore) a également été développée. L'ensemble de ces méthodes concourt à pouvoir détecter un objet unique de taille nanométrique
The dissertation is devoted to the preparation of some nanoobjects based upon spin crossover complex [Fe(hptrz)3](OTs)2 (where hptrz is 4-heptyl-1,2,4-triazole), their morphology and properties study. By reaction in reverse microemulsions the spin crossover nanoparticles of 35-70 nm in size and with a different aggregation rate were obtained. The lust was achieved varying the quantities of reagents and water in micellar system. Different approaches toward nano- and microobjects of the complex in homogeneous media were developed. It was found that a direct reaction between salt and ligand, depending on the solvent and the stabilizer, can result in nanoparticles of different size and morphology. The method of complex precipitation allowed to obtain the small nanoparticles with a size related effect. The thin films with spin crossover were elaborated by deposition of the complex from its solution in chloroform. This complex was also structured onto surface by means of soft lithography. Spin transition in these nanoobjects onto surface was studied by UV spectroscopy. Optical diffraction and delocalized plasmon resonance were firstly used for the detection of spin state change in 35 nm film, and also for the detection of methanol. The fluorescent approach permitted to follow the spin crossover phenomenon in a single nanoobject

Dans la première partie de cette thèse, nous tirons parti du concept de nano-antenne optique afind'apporter une solution innovante au problème d'interprétation de la microscopie champ procheoptique (SNOM). En effet, il est connu que certaines nano-antennes développent des réponsesoptiques dipolaires. Dans cette thèse nous démontrons comment l'utilisation d'une nano-ouverturepapillon (nano-antenne dipolaire), à l'extrémité d'une pointe SNOM, permet de détecter et collecteruniquement une seule composante du champ proche électrique. Ce résultat est démontré d'unpoint de vue théorique par l'utilisation de simulation FDTD (Finite Difference Time Domain) et d'unpoint de vue expérimental par la caractérisation, par cette pointe innovante, d'échantillonsdiélectriques (réseaux, cristaux photoniques) et métalliques (milieux désordonnés plasmoniques).Dans une deuxième partie, nous démontrons comment la sonde développée dans la premièrepartie, peut être utilisée comme détecteur du signal émis par un nano-émetteurs (NE) unique. Il estétudié dans cette partie l'effet de couplage entre ces deux objets. Dans un premier temps, après ladescription complète des grandeurs caractéristiques d'un NE, nous démontrons théoriquementl'effet de la pointe sur la réduction du temps de vie de l'état excité et l'augmentation de lafluorescence d'un NE, en régime saturé et non saturé. Puis dans un deuxième temps nousdémontrons expérimentalement comment cette sonde réduit le temps de vie de l'état excité deboites quantiques placées à son extrémité, en comparaison de pointes SNOM plus conventionnellestelle que la pointe diélectrique et la pointe à ouverture circulaire.

Des films minces de silice enrichies en nano-grains de silicium (ng-Si) dopées aux ions Nd3+ ont été déposées par pulvérisation magnétron réactive. Leurs propriétés de photoluminescence ont été étudiées en fonction de la composition. La formation d'agglomérats de Nd2O3 aux fortes concentrations en Nd3+ diminue la PL. l'influence de la temperature et de la composition sur les chronogrammes de temps de vie des ions Nd3+ a ete etudiee. On a démontre l'existence de deux temps de vie. La composante rapide a été attribuée aux agglomérats de Nd2O3 et la composante lente aux ions Nd3+ libres.

Les dispositifs photoniques magnéto-optiques (MO) sont l’objet d’une attention particulière pour leur capacité à améliorer la sensibilité des biocapteurs ou leur sensibilité au champ magnétique. Les effets MO, pouvant se manifester par une rotation de polarisation ou une modification d'intensité de la lumière sous champ magnétique, sont cependant plutôt faibles lors d’interactions simples (réflexion ou transmission) avec les films magnétiques classiques. Le dispositif proposé dans le cadre de ce travail permet d’exalter les effets MO. C’est une structure diélectrique planaire simple formée par un réseau 1D de résine photosensible (PR) déposé à la surface d’un film MO lui-même déposé sur un substrat de verre. Selon les conditions de couplage imposées par le réseau, des modes guidés (TE et TM) sont excités dans le film MO par la lumière incidente, augmentant ainsi l'interaction lumière-matière. Un tel couplage produit ainsi une résonance étroite qui se traduit par un creux (pic) dans le spectre de la transmittance (réflectance). Le film MO est un composite formé par des nanoparticules magnétiques (CoFe2 04) insérés dans une matrice de silice par un procédé sol-gel. Ce composite nano-structurable peut être facilement déposé sur des substrats classiques à faible température de recuit (90°C), ce qui n'est pas le cas de la plupart des matériaux MO utilisés dans les plates-formes d’optiques intégrées. Des exaltations importantes des différents effets de rotation de polarisation (Faraday et Kerr longitudinal) ont été atteintes par les mesures et les simulations grâce à cette structure résonnante toute diélectrique. Les principaux résultats de ce travail concernent cependant l'effet Kerr MO transverse (TMOKE). Cet effet induit un décalage spectral non réciproque de la résonance de transmittance (réflectance) lors de l'inversion de l'aimantation, résultant en une modulation d'intensité. Des valeurs de TMOKE atteignant 9,5% et 18,5% ont été mesurées respectivement en transmission avec T = 80%, et en réflexion avec R = 5%. Ces valeurs très significatives de TMOKE sont principalement dues au facteur de qualité élevé des résonances de transmittance (réflectance) du mode TM. La valeur de TMOKE pour un film MO sans réseau étant d'environ 0,01%, une exaltation de trois ordres de grandeur a ainsi été obtenue grâce à la structure fabriquée. Les valeurs mesurées de TMOKE sont bien positionnées par rapport à la littérature où, à notre connaissance, des valeurs maximales de 1,5% et 15% ont été démontrées expérimentalement par des structures respectivement diélectriques et magnéto-plasmoniques. De plus, des effets magnétiques réciproques inattendus ont été démontrés expérimentalement. Enfin, la structure proposée est un dispositif à faible coût, qui peut être fabriqué sur des substrats à grande échelle, est capable d'exalter tous les effets MO. Cela en fait une structure à fort potentiel pour des applications comme le contrôle non destructif, les capteurs de champ magnétique et même les biocapteurs
Magneto-optical (MO) photonic devices are currently highly desirable because of their ability to improve the sensitivity of biosensors or their sensitivity to the magnetic field. However, MO effects being rather small through classical magnetic films, it is relevant to find ways to enhance such effects which can manifest as light polarization rotation or intensity modification under magnetic field. The proposed device in this work to enhance MO effects is an all-dielectric planar structure formed by a 1D photoresist (PR) grating deposited on top of a MO film itself deposited on a glass substrate. Under coupling conditions through the grating, guided-modes (TE and TM) with narrow resonances are excited in the MO film by the incident light, increasing hence the light-matter interaction. Such coupling results as a dip (peak) in the transmittance (reflectance) spectrum. The MO film is a composite formed by magnetic nanoparticles (CoFe2 04) embedded in a silica matrix and obtained through sol-gel process. This nano-structurable composite can be easily deposited on common substrates with low annealing temperature (90°C), which is not the case of the most MO materials used within integrated optics platforms. Large enhancements of the different non-reciprocal polarization rotation effects (such as Faraday and longitudinal MO Kerr) were achieved experimentally and numerically through the all-dielectric resonant structure. The main results of this work concern the transverse MO Kerr effect (TMOKE). This effect induces a non-reciprocal spectral shift of the transmittance (reflectance) resonance upon magnetization reversal, resulting in an intensity modulation effect. TMOKE values up to 9.5% and 18.5% were measured respectively in transmission with T = 80% and in reflection with R = 5%. These large TMOKE values are mainly due to the high quality factor of TM transmittance (reflectance) resonances. The TMOKE signal for a single MO film is around 0.01%, hence an enhancement with three orders of magnitude was achieved through the fabricated structure. The reached measured TMOKE values are highly competitive with the literature where, to our knowledge, maximum values of 1.5% and 15% were experimentally demonstrated respectively through all-dielectric and magneto-plasmonic structures. Moreover, unexpected reciprocal magnetic effects were experimentally evidenced. Finally, the proposed all-dielectric structure is a low-cost device, which can be fabricated on large scale substrate, and able to enhance all the MO effects. Hence, it is a promising structure for non-destructive testing, magnetic field sensing and even biosensing

Les assemblages supramoléculaires font parties des réactions biochimiques de base dans les fonctions cellulaires (ex: réplication de l'ADN ou réponse immunitaire). Les calix[n]arènes ont été décrit pour interagir avec une large gamme de biomolécules. En conséquence, ils peuvent être trouvés dans de nombreuses applications biologiques tel qu'en diagnostic ou en traitement thérapeutique. Leurs fonctionnalisations sur des nanoparticules d'argent ont produit de nouveaux nano-composés hybrides ayant des propriétés optique, électrique et biologique uniques. Cette thèse a été dédiée à l'étude de ces nano systèmes pour la bio-détection et leurs potentielles applications biomédicales. Le développement de capteur analytique à bas coût, portable et ultra-sensible représente une des attentes majeures dans les applications des calix[n]arènes sur nanoparticules d'argent. Dans cette thèse, ces nano-composés ont été étudiés selon leurs capacités à suivre la micellisation de surfactant mixtes, et pour discriminer un type moléculaire tel qu'une famille d'acide nucléique ou une espèce d'albumine sérique. Dans une deuxième partie, ces nanoparticules hybrides ont été évaluées pour une série d'activités biologiques. Ils ont montré des facultés antibiotiques et anti-oxydantes, de transporter des Ingrédients Pharmaceutiques Actifs, et d'atteindre des cibles antivirales et anticancéreuses
Supramolecular assemblies are among the basic biochemical reactions in the cellular functions (e.g. DNA replication, immune response). Calix[n]arenes are macrocyclic molecules that have been reported for interacting with a wide range of biomolecules. As a consequence, they can be found in many biological applications from diagnosis to therapeutic treatment. Their functionalization on silver nanoparticles have produced new nano hybrid compounds with unique optical, electrical and biochemical properties. This thesis has been dedicated to the study of these nano-systems for bio-sensing and for their potent biomedical applications. Cost effective, portable and ultra-sensitive analytical tools are one of the major expectations of the applications of silver nanoparticles capped with calix[n]arenes. Calix[n]arenes nanoparticles have been reported here for following the micellisation process of mixed surfactants or for discriminating a type of molecule such nucleic acid or a serum albumin specie. In a second part, these hybrid nanoparticles have been evaluated for series of biological activities. They’ve been shown to possess anti-oxidant and antibacterial activities, to transport Active Pharmaceutical Ingredient and to reach antiviral and anti-cancer targets

Ce travail de thèse se consacre à l'étude de molécules, de matériaux et de nano objets à propriétés optiques non linéaires (ONL) quadratiques. Dans un premier temps, nous avons étudié un polymère électro optique à base de polyméthacrylate de méthyle greffé par un nouveau colorant non linéaire. Une susceptibilité non linéaire de 43pm/V a été obtenue par génération de second harmonique à 1,91 ltm ; nous l'avons comparée à la valeur calculée à partir du modèle de Langevin sur l'orientation de dipôles sous champ électrique. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés à des complexes métalliques et organométalliques, en étudiant la possibilité de commuter leur hyperpolarisabilité, soit par modification de la longueur de conjugaison des ligands sous irradiation optique (photochromes), soit par transformation du caractère redox des donneurs ou des accepteurs d'électrons dans un système conjugué unidimensionnel. Enfin, nous avons étudié les propriétés ONL de dérivés du 4 diméthylamino N méthyl 4 stilbazolium tosylate (DAST), et en particulier la possibilité d'exalter leur hyperpolarisabilité par des nanoparticules d'or. Des mesures de diffusion harmonique de la lumière ont permis de mettre en évidence une nette augmentation de l'hyperpolarisabilité (d'un facteur 2) par molécule de dérivé de DAST, en régime non résonant, en présence de nanoparticules d'or, qu'elles soient attachées à cette molécule ou simplement mélangées avec elle dans un solvant commun
This thesis is devoted to the study of molecules, materials, and nano objects for quadratic nonlinear optics (NLO). First, we have investigated a new electro optic polymer made of a polymethyl methacrylate matrix functionalized with a new NLO dye. The NLO susceptibility of this polymer is 43 pm/V, inferred from second harmonic generation at 1. 91 gin. This value has been compared to the calculated one, on the basis of the Langevin model for dipolar molecules poled by a DC electric field. Second, we have investigated metal and organometallic complexes by exploring the possibility of optically (photochromes) or electrically induced (redox reactions) switching of molecular hyperpolarizability values, by changing the conjugation length of a ligand, or the oxidation state of a donor or acceptor group, respectively. Finally, we have studied chromophores derived from 4 dimethylamino N methyl 4 stilbazolium tosylate (DAST) and the exaltation of their NLO properties by gold nanoparticles. A clear increase in the hyperpolarisabilities in a nonresonant configuration (by a factor of 2) of DAST derivatives has been evidenced in the presence of Gold nanoparticules, being either attached to this molecule or simply mixed with in a common solvent

Des marqueurs biologiques exogènes à base de nanoparticules hybrides possédant des propriétés optiques non-linéaires ont été préparés en tant qu'agent de contraste pour l'imagerie de second harmonique et le diagnostic de cellules pathogènes. L'iodate de fer est l'un des matériaux proposés dans ce domaine en raison de ses bonnes propriétés de second harmonique et de sa faible toxicité. Des nanoparticules d'iodate de fer ont été synthétisées par microémulsion inverse et miniémulsion inverse. Un bon contrôle de taille et de morphologie des particules a été obtenu dans les deux cas. En vue d'applications biomédicales, l'encapsulation des particules a été réalisée in situ par polymérisation en miniémulsion inverse. Enfin, l'encapsulation de particules de niobate de potassium par un polymère biocompatible a été étudiée. L'intérêt de ces particules hybrides a été démontré par des études in vitro en imagerie de second harmonique
Exogenous biomarkers based on hybrid nanoparticles with nonlinear optical properties were prepared as a contrast agent for second harmonic imaging and diagnosis of pathogenic cells. Iron iodate is one of the selected materials for this specific field due to its good second harmonic properties and its low toxicity. Iron iodate nanoparticles were synthesized by inverse microemulsion and inverse miniemulsion. In both cases, a good control of size and morphology was achieved. For biomedical applications, nanoparticles encapsulation was carried out in situ by reverse miniemulsion polymerization. Finally, encapsulation of potassium niobate nanoparticles with a biocompatible polymer was conducted. Their interest was demonstrated in vitro by second harmonic imaging studies

Ce travail décrit un modèle théorique de microscopes optiques en champ proche basé sur la méthode de Rayleigh. Cette méthode, utilisée par ailleurs depuis plusieurs décennies pour l'étude de la diffraction par des surfaces de faible relief, s'est avérée donner la bonne valeur du champ électromagnétique dans les configurations qui interviennent en microscopie optique du champ proche. Dans ces configurations les structures décrites ont une extension latérale plus petite que la longueur d'onde et une rugosité suffisamment faible pour que l'hypothèse de Rayleigh soit satisfaite. Ce travail est composé de trois parties. Dans la première est présenté le contexte théorique dans lequel se situe ce travail. Dans la deuxième partie est détaillé le formalisme vectoriel de la solution de Rayleigh des équations de Maxwell. Son domaine d'application est étendu pour des structures multicouches 3D. Dans la troisième partie, après une validation de la méthode au moyen de résultats expérimentaux publiés, le précédent formalisme est appliqué pour décrire des microscopes optiques en champ proche dans des configurations en STOM, SNOM et aperturless-microscope. . .

La métrologie de position est un domaine critique en microrobotique, où les forts facteurs d'échelle et les perturbations subies contraignent souvent à utiliser de nombreux capteurs hautes-performances. La vision offre alors des outils très intéressants, tant en termes d'encombrement que de nombre de degrés de liberté mesurables.Les travaux développés au cours de cette thèse ont pour but d'apporter, grâce à l'observation de mires pseudo-périodiques, des solutions aux différents verrous rencontrés classiquement dans ce contexte, notamment en termes de rapport plage/résolution ou de mesure multi-DDL. Plusieurs méthodes originales ont été proposées, éprouvées expérimentalement sur plusieurs types d'applications (mesure de position, asservissement visuel, mesure de force, etc.) et constituées en réponse aux différentes problématiques soulevées (précision nanométrique sur plage millimétrique, mesure 6 DDL, haute robustesse, etc.)
Position metrology is a critical domain in microrobotics, where high scale factors and perturbations often force to use numerous high-performance sensors.Vision offers very interesting tools, both in terms of congestion and number of measurable degrees of freedom.The work developed during this thesis aims at bringing, thanks to pseudo-periodic patterns, solutions to the different locks conventionally encountered in this context, in particular in terms of range-to-resolution ratio or multi-DDL measurement.Several original methods have been proposed, tested experimentally on several types of applications (position measurement, visual servoing, force measurement, etc.) and maded in response to the various problems raised (nanometric precision on millimetric range, 6~DDL measurement, high robustness, etc.)

Cette thèse porte sur le développement de fibres optiques de type cœur/gaine, dont le cœur est composé de vitrocéramiques transparentes. Le système étudié est composé d’une matrice de silice stabilisant la phase ZnGa2O4 sous la forme de nano cristaux, pouvant être dopés par des ions de métaux de transition tels que le chrome (III) et le nickel (II). Les verres précurseurs de vitrocéramiques ont été synthétisés par fusion trempe, étirés sous forme de fibres optiques par la méthode poudre puis recuits thermiquement afin d’obtenir des fibres optiques à cœur vitrocéramiques optiquement actives. L’optimisation conjointe de la composition des verres précurseurs, des paramètres de fibrage, de la composition finale des fibres et du protocole de recuit thermique de cristallisation, ont permis de maximiser leurs propriétés de luminescence autour de 700 nm et 1350 nm pour les fibres dopées par du chrome (III) et du nickel (II) respectivement. Ces types de fibres peuvent trouver des applications dans les domaines de la thermométrie optique, des sources optiques, des amplificateurs et des lasers fibrés. En particulier, nous avons démontré que le spectre d’émission autour de 1350 nm des fibres dopées par du nickel (II) présente une largeur à mi-hauteur supérieure à 270 nm, meilleure que celle des sources commerciales centrées autour de 1300 nm. Le niveau de puissance émise, de l’ordre d’une trentaine de microwatts, est quasiment compatible avec les applications de source optique pour l’OCT. Des développements ultérieurs visant à réduire le niveau de pertes dans ces fibres et de maximiser l’efficacité du dopant permettrons d’amener cette technologie à un niveau de performance compatible avec ces applications. Ces résultats encourageants ont motivés le dépôt d’une demande de protection des fibres et de leur procédé d’élaboration par un brevet
This thesis focuses on the development of core/clad type optical fibers where the core is composed of transparent glass ceramics. The system considered was composed of a silica matrix where ZnGa2O4 nanocrystals can be stabilized. Those crystals can interestingly be doped with transition metal ions such as chromium (III) or nickel (II) ions. The precursor glass were synthetized by melt quenching method, drawn into fibers through the powder in tube process, and subsequently annealed to produce optically active glass ceramic optical fibers. The starting glass composition together with the drawing parameters, the fiber core composition and the annealing protocol were optimized in order to maximize the luminescence properties around 700 nm and 1350 nm in chromium (III) and nickel (II) doped fibers respectively. Such type of fibers are interesting for the domains of optical thermometry, fibered sources, amplifiers and lasers. In particular, we demonstrated that the emission spectrum around 1350 nm of nickel (II) doped glass ceramic fibers exhibited a full width at half maximum above 270 nm, wider than that of 1300 nm centered commercial sources. The overall power outcome is about thirty micro watts, which is almost suitable for OCT applications. Further developments aiming at reducing the optical losses in the fibers and in maximizing the dopant efficiency will allow to reach the applications requirements. Those promising results led to a patent application on the fibers composition and their fabrication process

La réponse optique de nanoparticules (NPs) de métaux nobles est dominée par une résonance géante diterésonance de plasmon de surface (RPS), très sensible à la taille, la morphologie et l’environnement diélectriquedes NPs. Elle est étudiée sur des NPs individuelles grâce à un dispositif de Spectroscopie à Modulation Spatiale(SMS) permettant d’accéder à leur section efficace d’extinction absolue sur un large domaine spectral (300-900nm) en corrélation avec leur morphologie observée indépendamment par microscopie électronique àtransmission (MET) ou à balayage (MEB).Mon travail de thèse a d’abord consisté à développer un nouveau dispositif afin de mesurer l’extinction et de ladiffusion d’un même nano-objet unique, donnant ainsi accès à des mesures quantitatives de la section efficace dediffusion moyennant une connaissance a priori du diagramme angulaire de répartition de la lumière diffusée.La seconde partie concerne des études optiques (expérimentales et théoriques) et structurales (MET ou MEB) denano-objets exotiques. Tout d’abord, une étude systématique réalisée sur un grand nombre de bipyramides d’orélaborées par voie chimique a montré que leur RPS, située dans le rouge, est extrêmement sensible à leurmorphologie et à leur environnement, ce qui en fait des candidats de choix pour des capteurs biologiques. Parailleurs, l‘émergence d’une RPS induite par couplage plasmonique a été mis en évidence sur des nano-antennesnanolithographiées à base de métaux de transition (Pd, Pt, Cr). Ces résultats ouvrent des perspectivesd’applications nouvelles en élargissant la plasmonique à des métaux aux propriétés chimiques très variées(photo-catalyse, magnéto-optique)
The optical response of noble metal nanoparticles (NPs) are known to be dominated by the Localized SurfacePlasmon Resonance (LSPR), which is highly sensitive to the size of the NPs, their shape and their environment.This optical response can be studied on single nanoparticles thanks to a highly sensitive setup based on theSpatial Modulation Spectroscopy (SMS) which gives access to their absolute extinction cross-section on a widespectral range (300–900 nm). Moreover, the morphology of the same objects studied in optics is characterized bya direct observation in Transmission or Scanning Electron Microscopy (TEM or SEM).In this work, a new setup allowing the measurement of both the extinction and the scattering of a single nanoobjecthas been developed. This technique allows a quantitative measurement of the scattering cross-sectionprovided the angular distribution of the scattered light by the NP is known.The second part is related to experimental and theoretical optical studies and morphological observationsthrough TEM and SEM of exotic nano-objects. First, a systematic study performed on a large number of goldbipyramids, chemically elaborated, has shown that the LSPR located in the red is highly sensitive to theirmorphology and to the environment. Thus, these objects can likely be used as biological sensors. In addition,emergence of a resonance induced by plasmon coupling has been evidenced on lithographed nano-antennasbased on transition metal (Pd, Pt, Cr) for which no LSPR is usually expected. This opens up prospects for novelapplications by extending the field of plasmonics to metals of various chemical properties (photocatalysis,magneto-optics)

Durant cette thèse, nous avons développé une méthode de synthèse originale de nano-agrégats d'oxyde de zinc et de nanohybrides greffés avec des chromophores organiques par ablation laser femtoseconde en phase liquide. La taille et les propriétés optique des nanoparticules ablatées ont été contrôlées par l'influence du liquide environnemental, les paramètres du laser femtoseconde et par la concentration des additifs utilisés. Les spectres de photoluminescence ont révélé que les nano-agrégats sont de très haute qualité optique. Les nanoparticules ablatées avec une fluence faible ont dévoilé l'effet de confinement quantique. Les nanohybrides de ZnO ont été synthétisés via deux méthodes différentes avec des chromophores organiques adéquats. Alors que les nanoparticules de ZnO obtenues sont le forme sphérique, les nanohybrides greffés se présentent sous forme de nano-cristaux hautement facettés ce qui suggère un changement des conditions de cristallisation lors de la croissance de ZnO. Nous avons démontré un transfert d'excitation efficace des nanoparticules de ZnO vers les molécules de colorants greffés grâce à la mesure de la photoluminescence de chacun des composants du nanohybride. Le même effet a été identifié par excitation biphotonique, en observant que les nanoparticules contribuent à la fluorescence des colorants attachés. L'excitation bi-photonique a aussi montré la génération d'harmoniques efficaces qui nous ont permis d'estimer le nombre limite des fluorophores attachés. L'effet du transfert d'excitation des nanoparticules vers les colorants attachés à été confirmé par une mesure de fluorescence résolue en temps
Throughout this thesis, we have developed a method to synthesize ZnO nanoclusters and dye-grafted ZnO nanohybrids using femtosecond laser ablation in liquid environment. The average particle size, the size distribution and the optical properties of ejected species are controlled by the properties of the surrounding liquid, the laser parameters and concentration of the additives. Photoluminescence measurements revealed synthesized ZnO nanoparticles with very high optical quality. For nanoclusters ablated with mild laser fluence, we observed clear modifications in optical properties due to quantum confinement effects, resulting from size-reduced nanoparticles. ZnO nanohybrids were synthesized via two different techniques. ZnO nanoparticles are crystallized as spheres, whereas nanohybrids showed well-developed faceted surfaces indicating the change in growth condition owing to the presence of grafted chromophores on the nanoparticle surface. When exciting the ZnO core of the nanohybrids we observed efficient excitation exchange from the nanoparticles toward the attached dye molecules. The same effect was observed by two-photon excitation in the near IR region proving that the nanoparticles contribute to the grafted dye emission. Rapid exctitation exchange process was confirmed from the ZnO core material toward the grafted chromophores by time-correlated single photon fluorescence spectroscopy

Ce travail rassemble les technologies de nanoélectronique et de nano-photonique pour créer un dispositif électro-plasmonique dont les propriétés optiques linéaires et non linéaires sont contrôlées électriquement. Ici, nous présentons la première démonstration de la modulation de photoluminescence non linéaire par des moyens électriques dans un cas d'étude simple. A cette fin, les nanoantennes plasmoniques sont interfacées avec des connexions électriques induisant des régions localisées d’accumulation et de déplétion d'électrons et affectant ainsi la réponse optique. De plus, une analyse complète de la photoluminescence non linéaire dans les nanofils plasmoniques est réealisée. La délocalisation et le transport des non-linéarités apportées par de telles structures permettent l’activation à distance des signaux. Différents aspects, dont les mécanismes sous-jacents à la modulation électrique et les processus dictant la généeration de photoluminescence non linéaire, sont systématiquement explorés
This work brings nano-electronics and nano-photonics technologies together to create an electron- plasmon device whose linear and nonlinear optical properties are electrically controlled. Here, we present the first demonstration of nonlinear photoluminescence modulation by electrical means in an uncluttered configuration. To this purpose, plasmonic nanoantennas are interfaced with elec- trical connections inducing localized regions of electron accumulation and depletion and therefore affecting the optical response. Additionally, a complete analysis of the nonlinear photoluminescence in plasmonic nanowires is carried out. The delocalization and transport of nonlinearities provided by such structures allow the remote activation of the signals. Different aspects including the un- derlying mechanisms behind the electrical modulation and the processes dictating the nonlinear photoluminescence generation are systematically explored

Le transistor est la brique élémentaire des circuits intégrés présents dans tous les appareils électroniques. Années après années l’industrie de la microélectronique a amélioré les performances des circuits intégrés (rapidité, consommation énergétique) en réduisant les dimensions du transistor. De nos jours, en plus de la réduction de la taille du transistor d’autres techniques permettent de soutenir cette croissance: ce sont les « booster » technologiques. Les contraintes mécaniques ou encore le remplacement du Silicium par d’autres matériaux tels que germanium (Ge) et les matériaux semi-conducteurs de type III-V sont des exemples de booster technologiques. Grâce à la modélisation numérique, cette thèse propose d’étudier les effets de booster technologiques sur les performances électriques de la future génération de transistors
The transistor is the elementary brick of Integrated circuits found in all electronic devices. Years after years the microelectronic industry has enhanced the performances of integrated circuits (speed and energy consumption) by downscaling the transistor. Nowadays besides the transistor’s downscaling, other techniques have been considered to maintain this growth: they are called technological boosters. Mechanical strain or new material, such as germanium (Ge) and III-V semiconductors, to replace Silicon are example of technological boosters. By the means of numerical quantum simulations and modeling, this these work propose a study of the effect of technological boosters on the electric performances of the next generation of transistors

Les travaux de cette thèse ont porté sur la conception et la réalisation d'un dispositif d'éclairage surfacique à géométrie planaire à base de structures plasmoniques, pour un fonctionnement à 633nm. Ce dispositif sera capable de convertir une lumière incidente cohérente en un faisceau de sortie uniforme sur la surface du dispositif, collimaté et avec un angle prédéfini par rapport au plan du dispositif. Pour réaliser ce dispositif, la solution envisagée est l'utilisation d'un réseau de guides d'onde diélectriques pour répartir la lumière sur la surface, et de chaînes de nano-structures d'argent couplées aux guides, dimensionnées comme des antennes pour réémettre la lumière hors du plan.Les travaux réalisés ont mis en évidence le contrôle du couplage entre le guide d'onde et la chaine de nano-structures d'argent, modulable par plusieurs paramètres dans une gamme comprise entre 10% et 90 % : nombre de particules, dimensions des particules, distance entre le guide et les particules. En jouant sur la période de la chaine, il est possible d'obtenir un rayonnement hors-plan, avec un angle déterminé par la formule des réseaux de diffraction. Des émetteurs élémentaires, composés d’un guide et de chaines de particules, ont été fabriquées en salle blanche et caractérisés sur un banc d’optique guidée à l'aide d'un montage de projection dans le plan de Fourier. Les diagrammes de rayonnement expérimentaux sont en accord avec les simulations. De premiers résultats ont également confirmé expérimentalement la possibilité de moduler le couplage guide-chaine en modifiant les dimensions des particules. Enfin le réseau de guides d'onde a été dimensionné pour une surface d'1 cm² et fabriqué en lithographie par projection. Les pertes linéiques mesurées dans les guides d'onde sont de l'ordre de 5 dB/mm. Plusieurs optimisations peuvent être réalisées pour améliorer la qualité des guides. A partir des données expérimentales obtenues et des simulations de propagation de faisceau, une configuration réaliste de dispositif d’éclairage incluant le nombre et le positionnement des émetteurs sur le réseau de guides a été proposée. L’ensemble des travaux réalisés valident l’approche choisie
This work has focused on the design and realization of a planar lighting device based on plasmonic structures, for a 633nm operation. This device will be able to convert a coherent incident light into a uniform output beam over the surface of the device, collimated and with a predefined angle with respect to the plane of the device. To achieve this feature, the proposed solution is the use of an array of dielectric waveguides to distribute the light over the surface, and silver nanostructures chains coupled to the waveguides and dimensioned as antennas to retransmit the light out of the plane. The work carried out has highlighted the control of the coupling between the waveguide and the silver nanostructures chain, modulated by several parameters in a range between 10% and 90%: the number of particles, particle size, distance between the guide and the particles. By playing on the period of the chain, it is possible to obtain an out-of-plane radiation, with an angle determined by the diffraction gratings formula. Elementary emitters, consisting of a guide and particle chains, were manufactured in a clean room and characterized on a guided wave optical bench with Fourier plane projection set-up. The experimental radiation patterns are in agreement with the simulations one. First results have also experimentally confirmed the possibility of modulating the waveguide-chain coupling by modifying the dimensions of the particles. Finally, the waveguide network has been dimensioned for an 1 cm² surface and manufactured with projection lithography. The linear losses measured in the waveguides are of the order of 5 dB / mm. Several optimizations can be made to improve the quality of the guides. From the experimental data obtained and the beam propagation simulations, a realistic configuration of the lighting device including the number and positioning of the transmitters on the waveguide network has been proposed. All the works carried out validate the chosen approach

Le but de cette thèse est de développer des méthodes d’élaboration de métasurfaces nanostructurées par combinaison de la chimie sol-gel et de la lithographie par nano impression (soft-NIL). Celle-ci présente notamment des intérêts d’ordres scientifiques et technologiques. En outre, elle entre dans la tendance générale du développement des processus rapide à faibles coûts utilisant des matériaux biocompatibles et non toxiques. Dans un premier temps, nous présenterons l'élaboration de nouveaux revêtements anti-reflets constitués de silice hydrophobe (modifiée méthyle) avec différentes nanostructures (piliers et trous). Ces nouveaux revêtements permettent de réduire la réflexion dans un intervalle spectral large tout en conservant une large tolérance angulaire à la lumière incidente. D’autre part, ces nanomatériaux présentent une stabilité chimique, thermique et mécanique améliorée par rapport à l’état de l’art. Par la suite, un nouveau système de couche sensible composé d’une méta-surface de TiO2 encapsulée dans une matrice hybride microporeuse pour capteur basée sur la transduction optique, et présentant une sensibilité spectrale de 4470 nm/RIU a été développé. Ce dernier a été exploiter pour sonder la présence de COV dans l’air avec une sélectivité partielle et une sensibilité de 0.5×10-3 R/ppm. Finalement, le savoir-faire développé a ensuite été mis à contribution pour l’élaboration de réseaux de méta-surfaces par empilements successifs de matériaux diélectriques SiO2 poreuse et TiO2 dense nano-imprimés. Ce dernier travail est précurseur à la fabrication de méta-matériaux 3D par procédé sol-gel
The purpose of this thesis is to develop methods to elaborate nanostructured metasurfaces by combining sol-gel chemistry and nano imprint lithography (soft-NIL), which are of relevant scientific and technological interest as they inscribe themselves in the general trend of developing affordable and time-saving processes, using biocompatible and non-toxic materials. Firstly, we showcase the elaboration of new efficient antireflection coatings made of water-repellent methylated silica nipple-dimple nano-architectures (pillars and holes). The interest of these results relies on the possibility to drastically reduce reflection in a broad spectral interval and within a broad acceptance angle of the incident light, rendering them adapted to photovoltaic, glass covers, laser windows, and much more. Furthermore, these nano-materials feature a high chemical, thermal and mechanical stability. Secondly, a highly sensitive optical gas sensor was elaborated based on TiO2 nanopatterns embedded in a thin microporous hybrid-SiO2 sensitive coating. The reflectivity of the layer has then been measured in the visible range with increasing vapor pressure. The measured sensing performances are sensitivity S up to 4500 nm/RIU (0.2 nm/ppm), reflection intensity changes up to R* = 17 (0.55×10-3 R/ppm), FOM up to 12, with a Q-Factor of 4 for a specific wavelength, which is compatible with sub-ppm gas detection by simple specular reflection. Finally, a novel generation of dielectric 3D stack nanostructured patterns (e.g. TiO2 pillars - mesoporous SiO2 - TiO2 pillars) was developed as an innovative optical system that has never been experimentally studied before

La photonique quantique intégrée promet d'amener l'optique quantique vers un dispositif pratique. L'objectif principal de ce domaine est d'atteindre une intégration évolutive pour diverses applications, notamment l'informatique quantique, la simulation, la communication et la détection. Dans un circuit quantique, des photons, qui portent l'état quantique, sont générés, manipulés à l'aide de composants linéaires et non linéaires, puis détectés. L'objectif de cette étude doctorale est de contribuer au développement de sources de lumière non classique efficaces et évolutives, pour la génération d'intrication, de photons uniques et d'états comprimés. À cette fin, nous introduisons une nouvelle classe de sources basée sur des résonateurs à cristaux photoniques (PhC) et nous démontrons des performances à l'état de l'art en termes d'efficacité et de « footprint ». Les cavités PhC ont été envisagées pour l'optique quantique sans toutefois atteindre des performances suffisantes. Par conséquent, les micro-disques et anneaux ont été couramment utilisés comme sources pour la photonique quantique intégrée.Encouragés par la démonstration des premières oscillations paramétriques optiques (OPO) utilisant une cavité à cristaux photoniques, nous avons exploré l'application potentielle de cette technologie dans le domaine de l'optique quantique. En dessous du seuil, l'OPO génère des paires de photons corrélées grâce à un processus paramétrique spontané, en particulier le mélange à quatre ondes spontané. Les OPO sont couramment utilisés pour générer des paires de photons intriqués et des états « squeezés ». Il est crucial que la cavité contienne trois modes equi-espacés qui correspondent aux fréquences des photons en interaction, car cela garantit une efficacité maximale.Deux géométries de cavités à cristaux photoniques ont été considérées : Nanobeam et Bichromatic, toutes deux constituées de phosphure d'indium-gallium. Le principal résultat est la génération ultra-efficace de paires de photons corrélés dans le temps. Cela confirme nos attentes fondées sur le seuil ultra-bas de l'OPO. En tenant compte de l'état de l'art, nous montrons que l'efficacité est proportionnelle au volume d'interaction dans la cavité. Par conséquent, l'origine de l'efficacité très élevée réside dans le volume très réduit des cavités à cristaux photoniques. De plus, cela implique également une « footprint » réduite sur la puce, ce qui favorise la « scalabilité ». Nous avons ensuite caractérisé davantage les propriétés des photons générés, notamment l'intrication temps-énergie, l'émission de photons uniques annoncés et l'émission de paires de photons en régime pulsé, une étape essentielle vers la démonstration de l'intrication dit « time-bin ». De plus, des étapes préliminaires ont été entreprises pour générer des états comprimés à deux modes. En outre, nous avons également étudié la dynamique classique au-dessus du seuil OPO en échantillonnant son espace de paramètres grâce à des mesures effectuées sur un grand nombre de dispositifs. Cela nous a permis d'établir une condition pour le fonctionnement de l'OPO, en accord avec un modèle mettant en avant le rôle limitant de l'absorption non linéaire. Nous avons également mis en évidence des instabilités potentielles dans le fonctionnement de l'OPO. Enfin, nous avons commencé à aborder la question de la « scalabilité » en réalisant une analyse statistique sur plus de 650 cavités afin d'étudier l'impact des tolérances de fabrication.Ainsi, nous avons démontré des sources quantiques à base de cavités à cristaux photoniques avec un niveau exceptionnel d'efficacité. Cela suggère une nouvelle approche prometteuse pour le développement de sources évolutives au sein des circuits quantiques intégrés
Quantum integrated photonics promises to bring quantum optics into a practical device. The primary objective of this area is to achieve scalable integration for various applications, including quantum computing, simulation, communication, and sensing. In a quantum circuit, photons, which are carriers of the quantum state, are generated, manipulated with linear and nonlinear components, and detected. The goal of this doctoral study is to contribute to the development of efficient and scalable sources of non-classical states of light, e.g: entanglement, single photons, and squeezing. To this purpose, we introduce a novel class of sources based on photonic crystal (PhC) resonators, and we demonstrate state-of-the-art performance in terms of efficiency and footprint. PhC cavities have been considered for quantum optics without, however, achieving remarkable performances. Therefore, micro-disks and rings have been commonly used as sources for integrated quantum photonics. Encouraged by the successful demonstration of the first Optical Parametric Oscillations (OPO) using a PhC cavity, we explored the potential application of this technology in the field of quantum optics. Below the threshold, OPO generates correlated photon pairs through a spontaneous parametric process, specifically spontaneous Four-Wave Mixing (SFWM). In particular, OPOs have been commonly utilized for generating entangled photon pairs and squeezed states. It is crucial that the cavity contains three equispaced modes that match the frequencies of the interacting photons, as this ensures maximum efficiency. Two geometries of PhC cavities have been considered: Nanobeam and Bichromatic, both made of Indium Gallium Phosphide. The main result is the ultra-efficient generation of time-correlated photon pairs. This confirmed our expectations based on the ultra-low threshold of the PhC OPO. Considering the state-of-the-art, we show that efficiency scales with the interaction volume in the cavity. Therefore, the origin of the very large efficiency is the very small volume of the PhC cavities. Moreover, this also implies a much-reduced footprint on the chip, which helps scalability. We have further characterized the properties of the generated photons, in particular time-energy entanglement, heralded single photons, and the emission of photon pairs in time-bins, an essential step towards demonstrating time-bin entanglement. Additionally, preliminary steps towards the generation of two-mode squeezed states have been undertaken. Besides, we have also considered the classical dynamics above OPO threshold by sampling its parameter space by performing measurements on a large number of devices. This allowed us to set a condition for OPO operation in agreement with a model highlighting the limiting role of non-linear absorption. We also revealed potential instabilities in the OPO operation. Finally, we started to address the question of scalability by performing a statistical analysis of over 650 cavities to study the impact of fabrication tolerances. So, we have demonstrated PhC cavity quantum sources with an exceptional level of efficiency. This suggests a promising new approach for the development of scalable sources within quantum integrated circuits

Ma thèse concerne le développent de systèmes ultra compactes auto-alignés et à faible coût intégréssur fibre optique monomode pour la collection fibrée de la luminescence locale. Dans un premiertemps, un axicon fibré auto-aligné (AXIGRIN) est proposé permettant de fournir la première imagerierésolue ultra-compacte fibrée de quantum dots PbS infrarouges. Ensuite, la première nano-imagerie(système entièrement fibrée) de quantum dots PbS uniques est réalisée à l’aide d’une nano-antenneà ouverture bowtie intégrée sur pointe fibrée. Enfin, le concept d’≪antenne cornet≫ nano-optiqueest proposé pour le couplage direct et efficace de la luminescence excitée par rayons X à une fibreoptique, dans le but de générer les premiers capteurs et dosimètres fibrés à rayons X
My thesis is devoted to develop ultra-compact, plug-and-play and low-cost single-mode optical fibersystems for in-fiber luminescence collection. First, a new fiber self-aligned axicon is proposed toprovide the first resolved infrared fluorescence imaging of PbS quantum dots in far field. Then,all-fiber near-field imaging of single PbS quantum dots is achieved by double resonance bowtienano-aperture antenna (BNA) with nanometer resolution. Finally, the concept of fiber nano-opticalhorn antenna is proposed for in-fiber X-ray excited luminescence out-coupling, with the purpose ofgenerating the first generation of fiber X-ray sensors and dosimeters

Les nanostructures d'or peuvent être utilisées comme antennes optiques : elles se couplent à un émetteur ou récepteur de photons en champ proche et amplifient l'interaction de celui-ci avec le champ lointain. Nous montrons ici comment des dimères de nanoparticules d'or assemblés autour d'un brin d'ADN fonctionnent comme des antennes aux fréquences optiques, alimentées par un émetteur quantique unique. L'électrophorèse permet d'isoler des nanoparticules de 36 nm de diamètre fonctionnalisées par un seul monobrin d'ADN de 30 ou 50 bases et, après hybridation de séquences complémentaires, de dimères de géométries contrôlées. Les fréquences de résonance de ces assemblages indiquent un décalage spectral vers le rouge pour des distances interparticules réduites ; en excellent accord avec des calculs théoriques corrélés à une étude topologique par microscopie électronique cryogénique. En alimentant ces dimères par une unique molécule d'ATTO647N, nous produisons des sources de photons uniques dont les taux d'émission spontanée sont exaltés de deux ordres de grandeur par rapport à des fluorophores isolés. Les taux de désexcitation mesurés sur plusieurs centaines de molécules uniques (isolées et en présence d'une ou deux nanoparticules d'or) coïncident quantitativement avec les exaltations estimées en théorie de Mie. Des mesures d'ensemble par spectroscopie de corrélation de fluorescence indiquent également une exaltation de plus d'un ordre de grandeur des coefficients d'extinction molaire et un gain en signal de fluorescence pour les dimères les plus courts malgré une réduction notable du rendement quantique. En modifiant fondamentalement l'environnement électromagnétique local, ces nanostructures hybrides offrent une nouvelle voie d'ingénierie des propriétés photochimiques de systèmes moléculaires.

Les taches blanches sont liées à l'hypominéralisation sous la surface de l'émail et sont la 1ère étape du développement de la carie dentaire. La détection précoce des caries dentaires naissantes avant qu'elles n'atteignent le stade de la cavitation offre une opportunité pour des soins dentaires efficaces. Pour réaliser les objectifs de cette étude qui sont de renforcer l'idiome des soins minimalement invasifs, nous avons identifié un modèle de cycle de pH modifié qui permet d’imiter les conditions intra-buccales qui conduisent à la formation de lésions de type tache blanche, dans un court laps de temps. Des techniques optiques non invasives, comme la microscopie Raman confocale et la microscopie multiphotonique, ont été utilisées dans cette étude pour détecter de petits changements dans la composition chimique de l'émail in vitro.De plus, la technique de nano-indentation a été appliquée pour étudier les changements dans les propriétés mécaniques de l'émail et les relier à ceux affectant sa composition chimique après l'induction des caries, afin d‘ajouter de la spécificité chimique-mécanique aux informations sur les lésions sous-surface de l'émail. Les résultats obtenus démontrent un grand potentiel pour les techniques examinées, fournissant une base pour des applications intéressantes dans le diagnostic clinique de différentes pathologies dentaires. Pour résoudre le problème du traitement des lésions primitives sans intervention chirurgicale, l'efficacité de la crème GC Tooth Mousse et du dentifrice contenant de la nano-hydroxyapatite «KAREX» dans l'amélioration de la reminéralisation de l'émail déminéralisé par la localisation du phosphate de calcium amorphe à la surface de la dent a été inspectée. L'étude a indiqué le manque de preuves fiables soutenant l'efficacité des agents reminéralisants dans le traitement des taches blanches. Ce travail doit être poursuivi par d'autres études in-vitro et par des études cliniques
White spot lesion is the subsurface hypomineralization of enamel indicating the 1st stage of dental caries development. Early detection of incipient dental caries before it reaches the stage of cavitation offers an opportunity for effective dental care. The objectives of this study were to strengthen the idiom of minimally invasive treatment. In order to achieve the specified goals; we have identified a modified pH cycling model that can mimic the intraoral conditions leading to white spot lesions formation in a short time. In addition, non-invasive optical techniques, such as confocal Raman microscopy and multiphoton microscopy were used in this study to detect small changes in the enamel chemical composition in vitro.Furthermore, nano-indentation technique was used to detect the changes in the mechanical properties of enamel and relate them to those affecting its chemical composition after caries induction in order to add chemico-mechanical specificity in providing important information about subsurface lesions in enamel. The obtained results demonstrate a great potential for the examined techniques, providing a basis for interesting applications in the clinical diagnosis of various pathological conditions in dentistry. To treatment the incipient carious lesions non-invasively, the effectiveness of GC Tooth Mousse cream and nHA containing-dentifrice "KAREX" in the remineralization of demineralized enamel through localizing amorphous calcium phosphate at tooth surface has been inspected. The study indicated a lack of reliable evidence supporting the efficacy of remineralizing agents in the treatment of white spot lesions. Within the limitations of this study, further laboratory studies together with clinical research are therefore required to increase the available knowledge on this prevalent subject

Nos besoins en stockage de données sont explosifs ; générés par des contenus multimédia dont la taille croît coontinuellement, ce qui conduit à une course effrénée à la performance des disques optiques. Cependant, des limites physiques sont rapidement atteintes. Parmi celles-ci, le phénomène de diffraction des ondes lumineuses a limité la capacité du Compact Disc (CD), du DVD et dictera encore celle du « Blu-ray ». Cette thèse se propose de franchir cette barrière à travers une étude approfondie d'une tête optique en champ proche. En effet le système actuel de lecture des disques utilisant l'immersion solide est passif vis-à-vis de la nature du champ proche. Il sera optimisé pour donner une capacité de stockage 40% plus élevée. Mais la demande du marché des disques optiques exige d'aller plus loin encore. La théorie de l'indice négatif, très controversée, se révèlera cependant pertinente, et inspirera toute la suite du travail. Le matériau à indice négatif est la solution utopique au passage sous la limite de résolution, et ses propriétés vont inspirer une lentille photonique à super-résolution. Dans cette lentille conçue pour le champ proche, les plasmons de surface qui sont excités aux interfaces entre l'argent et le verre seront convertis en ondes propagatives grâce à une structuration de motif plus petit que la longueur d'onde. Ces ondes transportent l'information au détecteur à travers la tête optique. Le fonctionnement du composant sera démontré dans un montage expérimental où il permettra de recouvrer un signal à la longueur d'onde de 488nm, mais porteur d'information d'objets de 60nm de taille
Our needs for data storage are explosives. Generated by multimedia content of increasing size, they lead to a frantic enhancement of optical discs performances. However, the physical limits are quickly reached. Among them, the diffraction of light waves has restricted the recording capacity of the CD, the DVD and still limits the "Blu-ray” (BD) disc capacity. This thesis proposes to overcome this barrier by a thorough study of near-field optical pickup. The current near-field optical head using solid immersion lens, completely passive towards evanescent waves, will be optimized to provide a storage capacity 40% higher. But market demand for optical disk requires going further. The theory of the negative index materials, highly controversial, is sufficiently relevant to guide the rest of the work. A negative index material is a utopian solution to break the resolution limit, and its properties will inspire a photonic super-lens. In this lens designed for the near-field, surface plasmons which are excited at the interfaces between silver and glass, are converted into propagative waves through a sub-wavelength diffractive structure. These waves carry information to the detector through the whole optical head. The transmission of this component is demonstrated in an experimental setup in which we recover a signal carried by a 488nm-wavelength laser beam, but relative to 60nm sized object

Nos besoins en stockage de données sont explosifs ; générés par des contenus multimédia dont la taille croît coontinuellement, ce qui conduit à une course effrénée à la performance des disques optiques. Cependant, des limites physiques sont rapidement atteintes. Parmi celles-ci, le phénomène de diffraction des ondes lumineuses a limité la capacité du Compact Disc (CD), du DVD et dictera encore celle du « Blu-ray ». Cette thèse se propose de franchir cette barrière à travers une étude approfondie d'une tête optique en champ proche. En effet le système actuel de lecture des disques utilisant l'immersion solide est passif vis-à-vis de la nature du champ proche. Il sera optimisé pour donner une capacité de stockage 40% plus élevée. Mais la demande du marché des disques optiques exige d'aller plus loin encore. La théorie de l'indice négatif, très controversée, se révèlera cependant pertinente, et inspirera toute la suite du travail. Le matériau à indice négatif est la solution utopique au passage sous la limite de résolution, et ses propriétés vont inspirer une lentille photonique à super-résolution. Dans cette lentille conçue pour le champ proche, les plasmons de surface qui sont excités aux interfaces entre l'argent et le verre seront convertis en ondes propagatives grâce à une structuration de motif plus petit que la longueur d'onde. Ces ondes transportent l'information au détecteur à travers la tête optique. Le fonctionnement du composant sera démontré dans un montage expérimental où il permettra de recouvrer un signal à la longueur d'onde de 488nm, mais porteur d'information d'objets de 60nm de taille.

Ce travail de thèse porte sur l'étude et le développement de composants à cavité verticale dans le contexte des réseaux courtes et moyennes distances multiplexés en longueur d'onde autour de 1,55 μm. Pour fabriquer de telles structures, nous avons tout d'abord développé des miroirs de Bragg diélectriques constitués de silicium amorphe et de nitrure de silicium. La différence d'indice (1,9) élevée entre ces matériaux a permis d'atteindre les hautes réflectivités (R = 99,5%) nécessaires au bon fonctionnement des VCSELs. A la suite du développement de ces miroirs, nous avons réalisé un VCSEL, reporté sur substrat silicium par collage métallique AuIn2, comprenant deux miroirs diélectriques et une zone active à base de puits quantiques InGaAs/InGaAsP. Les caractérisations et les études par simulation du VCSEL ont engendré plusieurs optimisations, et ont permis d'obtenir une émission laser continue sous pompage optique jusqu'à une température de 35°C. Ces résultats encourageants ont validé notre processus de fabrication ainsi que la fiabilité et la bonne qualité des miroirs de Bragg diélectriques. Pour s'affranchir du caractère instable de la polarisation de ces VCSELs nous avons proposé l'utilisation de nanostructures quantiques InAs/InP anisotropes se présentant sous forme de fils. L'étude de ces structures et leur mise en cavité ont démontré leur intérêt pour introduire une anisotropie du gain permettant d'assurer une polarisation stable. Nous avons développé un VCSEL accordable suivant une nouvelle approche. Le principe repose sur l'insertion d'une couche de phase électro-optique à base de nano-PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystal) dans la cavité du VCSEL. Le nano-PDLC, permet d'obtenir une variation isotrope de l'indice de réfraction sous l'action d'une tension. La réalisation d'un prototype pompé optiquement a permis une première démonstration de faisabilité d'un VCSEL accordable par voie électro-optique. Une accordabilité de 10-nm autour de 1.55-μm a été mesurée pour une tension de 170V, et le temps moyen de commutation sur la gamme spectrale est de 30 μs.

Au cours de ce travail de thèse à caractère expérimental, nous nous sommes attachés à mesurer les spectres absolus de section efficace d’absorption de nanotubes de carbone individuels placés dans différents environnements. Pour ce faire, nous avons développé un dispositif expérimental basé sur la technique de spectroscopie à modulation spatiale qui permet d’accéder de manière directe à la section efficace d’absorption de nano-objets individuels. Cette méthode ne requière aucun a priori sur les propriétés des nanotubes, et très important nous affranchit des effets d’ensemble. Ainsi, nous avons pu étudier les propriétés d’absorption de nanotubes individuels simple et double parois dans les environnements suivants : suspendus librement, agrégés en petit fagot, et déposés sur substrat. Plus précisément, l’évolution de l’absorption excitonique des nanotubes est analysée en fonction des paramètres structuraux (diamètre, nombre de parois, chiralité) et de l’environnement de ces derniers. Un autre aspect de cette thèse a pour objet l’analyse des propriétés de transport électronique des nanotubes de carbone soumis à des pressions hydrostatiques de gaz de l’ordre du gigapascal, avec la possibilité d’accéder au régime des basses températures. Ici, nous nous sommes concentrés sur l’étude de transistors à effet de champ composés de petits fagots de nanotubes de carbone contactés à leurs extrémités par des électrodes en palladium. Dans ce cadre, nous avons notamment réalisé la première observation de l’effet de blocage de Coulomb sous pression. Au final, ce travail de thèse a permis d’analyser les propriétés optiques et électroniques intrinsèques aux nanotubes de carbone et leur évolution sous l’effet de différents environnements (écrantage diélectrique, dopage chimique, contrainte mécanique et pression hydrostatique). Ce travail a pu être réalisé grâce au développement de nouvelles techniques permettant de sonder ces propriétés au niveau du nanotube individuel
In this dissertation, we report on the experimental investigation of the optical properties of single- and double-wall carbon nanotubes. Despite numerous studies performed using photoluminescence or Raman and Rayleigh scattering, knowledge of their optical response is still partial. In particular direct quantitative measurement of their absorption cross-section has not been achieved yet. Using spatial modulation spectroscopy we have determined, over a broad optical spectral range, the spectrum and amplitude of the absorption cross-section of identified individual single- and double-wall carbon nanotubes. These quantitative measurements permit the determination of the oscillator strength of the different excitonic resonances. Furthermore, investigation of the same nanotube, either a single-wall or double-wall nanotube, freestanding or deposited on a substrate shows large broadening with increase of oscillator strength of the excitonic resonances, as well as stark weakening of polarization dependent antenna effects, due to nanotube-substrate interaction. Similar study on nanotube bundles and double-wall nanotubes demonstrate the importance of inter-tube and inter-wall exciton coupling effects which seem to be of different nature in these two types of sample. The second part of this thesis studies electrical transport in carbon nanotube bundles under high pressure condition and low temperature. The behavior of nanotubebased field-effect transistors has been investigated, in the classical and Coulomb blockade regime, under gas-pressure up to 0.9 GPa. Overall, this dissertation communicates on the quantitative analysis of the absorption and electronic properties of carbon nanotubes and how they are influenced by various environmental effects such as dielectric screening, stress induced strain, hydrostatic pressure, or chemical doping. The novelty of this work is to address these issues at the single nanotube level

Les matériaux poreux silicatés ont été mis à profit pour encapsuler différents types de molécules, clusters ou nano-objets fonctionnels, donnant lieu à des nanocomposites hybrides organiques-inorganiques à propriétés physiques, chimiques ou biologiques remarquables. Élucider l'organisation structurale à l'échelle moléculaire de tels nanocomposites est indispensable pour l'analyse et la compréhension des propriétés macroscopiques qui en découlent. Ainsi, les techniques de diffusion totale associées à la fois à l'analyse Debye et la Fonction de Distribution de Paires (PDF) sont des méthodes de choix pour la caractérisation des propriétés structurales de matériaux hybrides nano-structurés. Le principal objectif de ce travail consiste à l'utilisation des approches basées sur la diffusion totale de rayons X pour l'analyse structurale complète de molécules photoactives confinées dans des matrices silicatées amorphes avec différentes tailles de pores, afin d'étudier l'influence de l'organisation structurale sur les propriétés optiques et d'explorer également les limites de ces approches d'analyse. Nous avons étudié deux systèmes photoactifs. L'analyse structurale du premier complexe confiné, Na2[Fe(CN)5NO].2H2O (SNP), a été entreprise par une approche multi-échelle combinant la RMN du solide et l'analyse PDF. Cette approche a permis l'identification de la nature des espèces incorporées, l'arrangement des cations et des anions ainsi que la distinction des différentes phases existantes : molécules isolées et nanoparticules. Les analyses Debye et PDF sur le deuxième composé étudié, [NdCl2(H2O)6]Cl, montrent que l'organisation structurale du complexe confiné est différente de celle du matériau massif cristallin. De plus, les cations Nd3+ changent de coordination de 8 à 9 durant le processus d'imprégnation et adoptent ainsi un arrangement structural très similaire à celui en solution aqueuse. Cette modification structurale est en accord avec le changement des propriétés luminescentes de ce complexe
Silica xerogels are versatile host materials for the inclusion of molecules, clusters, or nano-objects yielding host-guest compounds with unique physical, chemical or biological properties. The knowledge of the structural organization of the guest within the host is crucial for the understanding of its properties. Total scattering methods, based on Debye function analysis (DFA) and Pair Distribution Function (PDF), have become powerful tools for structural characterization of nanostructured hybrid materials. The aim of this work is to use the X-ray total scattering method to obtain structural information on photoactive molecules embedded into amorphous silica hosts with different pore sizes, to correlate their structure with the optical properties, and to explore the limitations of the chosen method. Two different photoactive complexes have been investigated. In the first example, the combined PDF and NMR study on Na2[Fe(CN)5NO].2H2O (SNP) embedded into silica matrices allows to extract the nature of the inserted species: quasi-free isolated molecules can be distinguished from nanoparticles and in the former case a model for the arrangement of cation-anion can be proposed from the PDF analysis. In the second example, a luminescent Nd3+ complex, the PDF and DFA analysis reveal that the structural organization of the embedded Nd3+ complexes is different from that of the crystalline material. Furthermore, the Nd3+ cations change the coordination from 8 to 9 during the wet-impregnation doping and adopt very similar structural arrangement as in aqueous solution, which is in agreement with the observed change in the luminescence properties

Les travaux de cette thèse portent sur la conception et la réalisation de nanopinces optiques intégrées basées sur l’utilisation du champ proche pour piéger des nanoparticules de taille inférieure à 1 µm.Le dispositif proposé exploite l’existence d’un couplage fort entre un guide d'onde SOI et une chaîne d’ellipses d’or afin d’exciter efficacement des plasmons de surface localisés et ainsi créer une énergie potentielle suffisamment intense pour piéger des billes de polystyrène.Des simulations par la méthode FDTD permettent d’optimiser la géométrie de la structure et d’extraire des valeurs de constante de raideur et de potentiel d’énergie de piégeage. L’efficacité ainsi que la stabilité de piégeage du système sont évaluées en présence de particules de taille comprise entre 20 nm et 1 µm. Les travaux mettent en évidence qu’avec une simple ou une double chaîne plasmonique, des billes de polystyrène sont piégées de manière efficace lorsqu’elles ont une dimension comprise entre 50 et 250 nm de rayon avec une puissance incidente de 10 mW. Utiliser seulement deux ellipses d’or au-dessus d’un guide d’onde SOI localise mieux le champ électrique entre elle. Cette structure peut alors être utilisée comme capteurs et détecter le changement d’indice optique du milieu environnant ou encore la variation de la taille de la bille à piéger. Le piégeage de billes métalliques de dimension supérieure à 15 nm de rayon est également présenté. Il est aussi possible de concevoir des dispositifs permettant de contrôler la position d’une particule piégée le long d’une chaîne d’ellipses d’or en faisant varier la longueur d’onde de la lumière injectée dans le guide.Des dispositifs de piégeage sont fabriqués en salle blanche en exploitant les résultats obtenus par simulation et sont caractérisés sur un banc d'optique guidée. Des mesures de transmission optique détermine la longueur d'onde de résonance de la chaîne plasmonique, qui se traduit par une forte diminution de la transmission. Des expériences de piégeage optique mettent en évidence la possibilité de piéger de manière stable des nanoparticules diélectriques. Le suivi de la trajectoire des particules en fonction du temps permet de tracer des histogrammes de position et ainsi d’extraire les valeurs de l'énergie potentielle et de la constante de raideur du piège. Ces valeurs, déterminées expérimentalement, sont plus faibles que celles attendues par simulation. Cet écart peut être expliqué par la présence de vibrations mécaniques du banc de caractérisation optique.Ce dispositif de piégeage ouvre des perspectives d’applications dans le domaine des capteurs tout intégrés de taille nanométrique à faible puissance incidente
This work is focused on the conception and the realisation of an integrated nano-tweezers based on the near field effect to trap nanoparticles smaller than 1 µm.The proposed device exploits the strong coupling between a SOI waveguide and a gold elliptic chain to excite the localized surface plasmon and to create a deep energy potential well to trap polystyrene beads.FDTD simulations are used to optimize the geometry of the structure and to extract the stiffness values and the potential energy. The efficiency and the trapping stability are evaluated with particles having size between 20 nm and 1 $upmu$m. This work shows that polystyrene beads with a radius between 50 and 250 nm are efficiently trapped thanks to single and double plasmonic chain with an injected power of 10 mW. The electric field is more localized when two gold elliptic nanocylinders on top of a SOI waveguide are considered. This structure can be used as a sensor to detect the shift of the optical index or the variation of the bead size. The tweezing of metallic beads having radius higher than 15 nm is also presented. It is also possible to control the position of the trap particle along a gold elliptic chain by varying the injected wavelength into the waveguide.Trapping device are fabricated in clean-room based on the simulations results of the geometry optimisation and are characterized on an optical bench. Optical measurements of transmission enable to determine the resonance wavelength of the plasmonic chain. Optical trapping experiment highlight the efficient tweezing of dielectric nanoparticles. With time resolved tracking method of the particle, position histograms can be plotted to extract potential energy and stiffness value. These experimentals results are not as good as the simulations results which can be explain by mechanic vibrations of the optical bench.This trapping device opens news applications in all integrated nanometric sensors with a small injected power