Dissertations / Theses on the topic 'Plasmonic nanoantennas'
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Wang, Jiyong. "Plasmonic Nanoantennas." Thesis, Troyes, 2017. http://www.theses.fr/2017TROY0021.
Full textAbstract:
Les réponses optiques linéaires et non linéaires de nanoparticules (NPs) plasmoniques fabriquées lithographiquement sont étudiées. La diffusion élastique donne une empreinte digitale des plasmons de surface des NPs, ces derniers exaltant les signaux optiques non linéaires. La dépendance en polarisation de la génération de seconde harmonique (SHG) montre un effet de basculement, qui est analysé à partir des décalages spectraux entre l’excitation et les resonances et des effets d'interférence de SHG. En régime de faible excitation, en plus d'un processus de recombinaison de paires électron-trou (e-h), les plasmons de particules (PPs) peuvent être excités par diffusion Auger avec une décroissance radiative donnant lieu à une photoluminescence métallique (MPL). Un modèle de l'efficacité quantique totale des émissions impliquant les deux contributions a été établi. En régime de forte excitation, une avalanche de photoluminescence multiphotonique (AMPL) est observée sur des hétérodimères couplés. Elle est interprétée par une recombinaison des porteurs chauds excités par ionisation multiphotonique (MI). Ce processus est assisté par le champ local des NPs. L'avalanche d’émission peut être évaluée en fonction de l'environnement du champ local et du facteur thermique des porteurs chauds. Le changement spectral du spectre d’émission indique une émission spontanée de paires e-h chaudes s'expliquant par une diminution du taux de diffusion des trous de la bande d lorsque la température augmenteLinear and nonlinear optical responses of lithographically fabricated plasmonic nanoparticles (NPs) are investigated. Elastic scattering offers the fingerprints for localized surface plasmon resonances of NPs, which enhance nonlinear optical signals. Excitation polarization dependent far-field radiation of second-harmonic generation (SHG) shows a flipping effect, which is analysed from the aspects of resonant excitation shifting and SH phase interference as size changes. The radiations of metallic photoluminescence (MPL) in the weak and strong radiation field are studied sequentially. In the weak excitation, besides a process via electron-hole (e-h) pair recombination, particle plasmons (PPs) can be excited via Auger scattering of photo-excited d-band holes and the radiative decay of which gives rise to PPs modulated MPL. A model of total emission quantum efficiency involving both contributions has been used to explain MPL radiation difference between the bulk and the NPs. In the strong excitation, avalanche multiphoton PL (AMPL) is observed from the coupled heterodimers, which is interpreted as the recombination of avalanche ionized hot carriers seeded by multiphoton ionization (MI). MI is greatly assisted by local field of coupled NPs at the excitation stage. The giant photon emission can be evaluated as a function of local field environment and thermal factor of hot carriers. The spectral change from PPs modulated profile to the one indicates spontaneous emission of hot e-h pairs is explained by the diminishment of d-band hole scattering rate as temperature increases
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Peter, Manuel [Verfasser]. "Active Plasmonic and Dielectric Nanoantennas / Manuel Peter." Bonn : Universitäts- und Landesbibliothek Bonn, 2017. http://d-nb.info/1149154187/34.
Full text
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Massa, Enrico. "Plasmonic nanoantennas for absorption and emission manipulation." Thesis, Imperial College London, 2014. http://hdl.handle.net/10044/1/24720.
Full textAbstract:
Light manipulation via nanoantennas, especially plasmonic nanoantennas, is an exciting new field, which aims to provide the same benefits at optical frequencies as those given by standard antennas in the radio and microwave frequency regimes. While at lower frequencies metals behave as perfect conductors, with negligible field penetration and absorption, at optical frequencies the electromagnetic field is able to excite plasmons which combine the electromagnetic wave with electronic excitations, giving raise to new properties such as high scattering and field confinement. This thesis focuses on understanding the physical principles of plasmonic nanoantennas and calculating their properties analytically, by deriving the solution for the scattering from cuboidal nanoantennas, and computationally, by presenting an improved discrete dipole approximation on cuboidal point lattices. A theory of scattering from anisotropic particles is derived, showing multiple plasmon resonance and different peaks shifts changing the background index, enabling the study of the magneto-optical effect on nanoparticles, with potential applications in nanospectroscopy, light manipulation and optical sensors. Plasmonic nanoparticles are studied numerically in order to enhance light absorption in thin film silicon solar cells and to enhance the anti-reflection coating properties of triple junction III-V quantum well high efficiency solar cells to increase scattering. Finally, plasmonic nanoantennas are also used experimentally to enhance the photoluminescence and decrease the lifetime of silicon quantum dots for light emitting device applications.
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Siadat, Mousavi Saba. "Periodic Plasmonic Nanoantennas in a Piecewise Homogeneous Background." Thèse, Université d'Ottawa / University of Ottawa, 2012. http://hdl.handle.net/10393/22814.
Full textAbstract:
Optical nanoantennas have raised much interest during the past decade for their vast potential in photonics applications. This thesis investigates the response of periodic arrays of nanomonopoles and nanodipoles on a silicon substrate, covered by water, to variations of antenna dimensions. These arrays are illuminated by a plane wave source located inside the silicon substrate. Modal analysis was performed and the mode in the nanoantennas was identified. By characterizing the properties of this mode certain response behaviours of the system were explained. Expressions are offered to predict approximately the resonant length of nanomonopoles and nanodipoles, by accounting for the fringing fields at the antenna ends and the effects of the gap in dipoles. These expressions enable one to predict the resonant length of nanomonopoles within 20% and nanodipoles within 10% error, which significantly facilitates the design of such antennas for specific applications.
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Knittel, Vanessa [Verfasser]. "Ultrafast nonlinear response of plasmonic nanoantennas / Vanessa Knittel." Konstanz : Bibliothek der Universität Konstanz, 2018. http://d-nb.info/1161343245/34.
Full text
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Black, Leo-Jay. "Near-infrared nano-optical elements using plasmonic nanoantennas." Thesis, University of Southampton, 2017. https://eprints.soton.ac.uk/410269/.
Full textAbstract:
In recent years Nanophotonics, the behaviour of light at the nanometer scale has gathered Significant interest with recent advances in nanotechnology. Specifically, nanoantennas can help us access the near and mid-infrared wavelength range. The drivers are that it is a very attractive spectral region for a wide variety of technology applications, such as communications, environmental sensing, biosensing, security and astronomy. This thesis covers the functionality of single plasmonic nanoantennas for polarisation control and nonlinear frequency conversion, characterised by quantitative single-particle extinction spectroscopy and nonlinear optical microscopy. It then moves on to look at the use of plasmonic resonators as coherent absorbers in a mechanically tunable cavity. Finally, it looks at the performance of antennas in surface enhanced Raman (SERS) and IR spectroscopy (SEIRS) using new experimental setups.
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Wang, Jiyong [Verfasser], and Pierre-Francois [Akademischer Betreuer] Brevet. "Plasmonic Nanoantennas / Jiyong Wang ; Betreuer: Pierre-Francois Brevet." Tübingen : Universitätsbibliothek Tübingen, 2020. http://d-nb.info/1203623054/34.
Full text
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Metzger, Bernd [Verfasser], and Harald [Akademischer Betreuer] Giessen. "Ultrafast nonlinear plasmonics : from dipole nanoantennas to hybrid complex plasmonic structures / Bernd Metzger. Betreuer: Harald Giessen." Stuttgart : Universitätsbibliothek der Universität Stuttgart, 2014. http://d-nb.info/1062951379/34.
Full text
9
Jeannin, Mathieu Emmanuel. "Control of the emission properties of semiconducting nanowire quantum dots using plasmonic nanoantennas." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016GREAY053/document.
Full textAbstract:
Ce travail de thèse porte sur l'étude du couplage entre des boîtes quantiques (BQs) insérées dans des nanofils à semiconducteurs et des antennes plasmoniques. Un couplage efficace requiert une caractérisation complète des leurs propriétés optiques respectives, pour assurer un recouvrement spectral et spatial de l'émission de la boîte et du mode de l'antenne et l'alignement de la polarisation du mode plasmonique avec l'émission de la BQ.Les propriétés optiques d'antennes patchs plasmoniques circulaires ont été étudiées par cathodoluminescence (CL). Nous avons montré avec un modèle analytique de la densité locale d'états électromagnétiques (DLE) au voisinage des antennes que leurs résonances sont des superpositions de modes de Bessel d'ordre radiaux et azimutaux différents. Nous avons fabriqué et caractérisé des antennes mono et multimodes, et trouvé que la partie radiative de la DLE n'est pas la seule contribution au signal de CL. De plus, nous avons caractérisé des antennes de différentes épaisseur du plan diélectrique ou différents matériaux. L'analyse de ces résultats nous pousse à proposer une interprétation des contributions au signal de CL annexes à la partie radiative de la DLE supportée par l'antenne. Nous avons de plus démontré la fabrication d'antennes patchs en aluminium opérant dans la partie bleue du spectre électromagnétique, et appliqué la CL à d'autres géométries d'antennes.Nous avons également étudié différentes boîtes quantiques insérées dans des nanofils à semiconducteurs faits d'alliages de matériaux II-VI. Des émetteurs uniques sont étudiés par microphotoluminescence (µPL). Des mesures résolues en temps ou par microscopie de Fourier permettent une caractérisation spectrale, temporelle et la détermination de leur diagramme de rayonnement. Nous avons de plus mis en évidence les variations de propriétés optiques des émetteurs dues aux inhomogénéité de fabrication en étudiant un large ensemble de BQs. La modélisation complète des propriétés électroniques et optiques d'une boîte unique est proposée en utilisant la microscopie de Fourier résolue en polarisation, et une étape de spectroscopie magnéto-optique.Enfin, nous avons développé une méthode de lithographie électronique en deux étapes basée sur le repérage d'un émetteur unique par CL, permettant la fabrication d'antennes plasmoniques couplées de façon déterministe à des BQs insérées dans des nanofils. L'étude de ce couplage révèle un accroissement de l'absorption du faisceau d'excitation accompagné d'une accélération de l'émission de la boîte par couplage radiatif. Il en résulte une exaltation jusqu'à un facteur 2 de la µPL des boîtesIn this work, we study the coupling between plasmonic nanoantennas and semiconducting nanowire quantum dots (NWQDs). This coupling requires spectral, spatial and polarisation matching of the antenna mode and of the NWQD emission. Hence, a full characterisation of both the antenna system and the NWQDs has to be performed to determine a relevant coupling geometry.Using cathodoluminescence (CL) we investigate the relation between the CL signal of circular patch plasmonic antennas and the electromagnetic local density of states (LDOS). The successive resonances supported by these antennas are complex superimpositions of Bessel modes of different radial and azimuthal order. Applying an analytical LDOS model, we show that we can fabricate and characterise antennas down to single mode resonances. However, the antennas CL spectrum goes beyond the radiative part of the LDOS. By changing the spacing layer thickness and the antennas materials, we propose an explanation for the origin of the additional CL signal we observe that is not related to the radiative LDOS of the patch antennas. We also demonstrate the fabrication of Al patch antennas working in the blue spectral range and apply our method to other geometries.We perform optical characterisation of different quantum dots (QDs) embedded inside semiconducting nanowires (NWs) made of II-VI materials. We use microphotoluminescence (µPL) to study the emission of single NWQDs. Time-resolved measurements and Fourier imaging allows us to extract their exciton lifetime and radiation patterns. The variability in the emission properties of the NWQDs due to inhomogeneity in the growth process are evidenced by studying a statistical set of nanowires. A complete model based on polarisation-resolved Fourier imaging and magneto-optical spectroscopy is detailed, allowing to fully determine the QD electronic and optical properties for an individual system.Finally, we develop a cathodoluminescence-based two-step electron-beam lithography technique to deterministically fabricate plasmonic antennas coupled to NWQDs, enhancing their µPL properties. The coupling results in an enhanced absorption of the pump laser inside the NW and in an increase of the radiative rate of the QD, leading to up to a two-fold intensity enhancement factor for the coupled system
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Gmeiner, Benjamin [Verfasser], and Vahid [Gutachter] Sandoghdar. "Coherent Spectroscopy of Single Molecules in the Near-Field of Plasmonic Nanoantennas / Benjamin Gmeiner ; Gutachter: Vahid Sandoghdar." Erlangen : Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), 2017. http://d-nb.info/1139492551/34.
Full text
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Břínek, Lukáš. "Plazmonické rezonanční antény." Master's thesis, Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství, 2008. http://www.nusl.cz/ntk/nusl-228250.
Full textAbstract:
Tato diplomová práce se zabývala plazmonickými anténami pro infračervenou oblast spektra elektromagnetického záření. K hledání zesílení pole bylo použito FDTD (Finite-Difference Time-Domain Method) simulací. Podle očekávání, byla shledána lineární závislost rezonanční vlnové délky na délce raménka platinové antény na křemíkovém povrchu. Diplomová práce se také zabývala výrobou antén pomocí fokusovaného iontového svazku (FIB) a následným měřením rezonančních vlastností pomocí mikroskopické metody FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy). Posun rezonanční vlnové délky byla registrována pouze pro negativní antény. Nakonec se tato práce zabývala vysvětlením saturace křivky závislosti rezonanční vlnové délky na rozměru raménka platinové antény na substrátu ze SRONu (silicon-rich oxynitride).
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Liu, Hsuan-Wei [Verfasser], Vahid [Akademischer Betreuer] Sandoghdar, and Mario [Gutachter] Agio. "Strong Near-Field Coupling of Single Emitters to Plasmonic Nanoantennas / Hsuan-Wei Liu ; Gutachter: Mario Agio ; Betreuer: Vahid Sandoghdar." Erlangen : Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), 2021. http://d-nb.info/1237886872/34.
Full text
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Rastogi, Rishabh. "Engineered Electromagnetic Hot-spots for Highly Sensitive (Bio)molecular Detection by Plasmonic Specytroscopies." Thesis, Troyes, 2020. http://www.theses.fr/2020TROY0018.
Full textAbstract:
La détection nanoplasmonique repose sur des champs électromagnétiques exaltés à proximité de la surface des métaux nanostructurés pour détecter les molécules à des concentrations ultra-faibles. Les exaltations de champ sont fortement prononcées aux jonctions entre les nanostructures adjacentes, ce qui entraîne des points chauds. Les exaltations de champ en ces points chauds augmentent de façon non linéaire en fonction des distances jusqu’au régime inférieur à 10nm. Les analytes présents à ces lacunes peuvent tirer parti de ces exaltations de champ, résultant en une sensibilité ultra-élevée dans la détection. Toutefois, ces lacunes de champ confiné affectent la capacité des grands analytes tels que les biomolécules d’entrer et de tirer ainsi parti des champs EM dans les lacunes. Cela présente des besoins spatiaux pour exalter les champs em en contradiction avec ceux pour accueillir les interactions biomoléculaires. Cette thèse démontre la conception rationnelle des configurations de réseaux qui permet aux hotspots EM d’être mieux exploités par le témoin de l’événement de liaison biomoléculaire. La thèse utilise l’approche moléculaire basée sur l’auto-assemblage pour fabriquer des nanoréseaux plasmoniques reproductibles sur des plaquettes complètes. Plusieurs paramètres sont envisagés, y compris la dimension, la forme et la densité des points chauds, la fonctionnalisation de surface, et le choix des substrats, pour démontrer la détection quantitative des molécules jusqu’aux concentrations picomolairesNanoplasmonic sensing relies on enhanced electromagnetic fields at the vicinity of nanostructured metal surface to detect molecules at ultra-low concentrations. The EM enhancements are strongly pronounced at junctions between adjacent nanostructures resulting in gap hot-spots. EM enhancements at these hot-spots increase non-linearly as a function of gap distances down to sub-10 regime. Analyte present at these gaps can leverage these EM enhancements, resulting in ultra-high sensitivity in detection. However, such confining gaps affect the ability of large analytes such as biomolecules to enter and thereby leverage EM fields within the gaps. This presents spatial needs to enhance EM fields at odds with those for accommodating biomolecular interactions. This thesis demonstrates the rational design of array configurations that allows the EM hotspots to be better leveraged by the reporter of biomolecular binding event. The thesis uses molecular self-assembly based approach to fabricate reproducible plasmonic nanoarrays on full wafers. Multiple parameters are considered including the dimension, shape, and density of hotspots, surface functionalization, and the choice of substrates, to demonstrate quantitative detection of molecules down to picomolar concentrations
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Liu, Huanhuan. "A novel optical bio-chemical sensor based on hybrid nanostructures of Bowtie nanoantennas and Fabry-Perot Interferometer." Phd thesis, Ecole Centrale de Lyon, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01064196.
Full textAbstract:
Nowadays, the increasing concern for environmental analysis and food quality control, as well as medical needs such as fast diagnosis in case of emergency events, leads to a growing need for new generations of chemical and biological sensors. These devices should have high sensitivity and reliability, perform specific detection of molecules and enable multiple parallel sensing, while being cheap, portable, fast and easy to use. Thus, a general trend tends towards bio-chemical sensors which are on-chip integrated, label-free, and compatible with standard micro-technologies. Photonic dielectric devices based on porous silicon and metallic nanostructures based on plasmon resonances are good candidates to fulfill the above requirements. Porous silicon is a biocompatible material, with a huge specific surface providing a sensitivity enhancement by several orders of magnitude compared to bulk materials; furthermore, its refractive index and thickness can be easily tuned, enabling for the realization of a large variety of photonic designs. Metallic nanostructures provide high confinement and strong field enhancement in sub-wavelength regions, leading to high sensitivities; combined with fluorescence or other sensing mechanisms such as Raman or IR spectroscopy, they have already demonstrated increased sensing potential. The realization of a hybrid device combining both elements would be highly interesting, since it could yield the advantages of both elements, and the photonic structure could shape the plasmonic resonance to develop ultrasensitive devices with narrow resonance linewidth and increased sensing depth. In this context, we realized and studied a novel hybrid photonic / plasmonic device exploiting the coupling between the surface plasmon resonance of a bowtie nano - antenna (NAs) array and the photonic modes of porous silicon (PSi) interferometer. We designed and fabricated a NAs array with resonance wavelength ~ 1.3μm on a homogeneous PSi interferometer. A thin spacing silica layer with controllable density protects the pores of PSi layer and provides a smooth surface for the fabrication of NAs. The coupling mechanisms of two elements - NA array and interferometer, are studied with 2 models, which are interferometer approach and resonator approach. The interferometer approach is focused on studying the influence of NAs array as a homogeneous layer on the fringes shift of the interferometer. For resonator approach, the coupled mode theory is applied. With these models, strong coupling between both elements are discovered: splitting. In the case of viii smaller environment variation, the hybrid device gains 5-10 fold sensitivity enhancement vs. 2 elements alone. The controllable SiO2 layer allows us to sense the index variation within PSi interferometer. This opens a route towards double parallel sensing. The development of the theoretical models under different environment is ongoing, which is expected to utilize the strong coupling for the sensing. A further investigation of the sensing potential of the hybrid device would be expected. And the 2 elements constituting the hybrid structure - the interferometer and the NA array - could be modified in order to enlarge the study to a wider family of devices with greater properties and performances. This work was performed within the framework of the program "Groups of Five Ecoles Centrales" between China Scholarship Council (CSC) and Lyon Institute of Nanotechnologies (INL, CNRS UMR 5270). The project has been supported by the Nanolyon technology platform at INL.
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Rolly, Brice. "Subwavelength photonic resonators for enhancing light-matter interactions." Thesis, Aix-Marseille, 2013. http://www.theses.fr/2013AIXM4366.
Full textAbstract:
Les antennes optiques sont des structures qui permettent de convertir, dans les deux sens, l'énergie électromagnétique entre un faisceau lumineux et une source (ou un absorbeur) localisée en son sein. L'utilisation de résonateurs de taille inférieure à la longueur d'onde permet de réaliser cette fonction de manière efficace, sur une bande spectrale relativement étendue, et d'avoir une antenne compacte.La bonne connaissance des propriétés optiques de ces résonateurs, pris séparément, et de leurs couplages entre eux, est nécessaire pour pouvoir proposer des designs d'antenne efficaces.Dans cette thèse, en se basant sur la décomposition multipolaire des champs et sur la méthode de la matrice-T, on obtient des solutions analytiques rigoureuses pour des résonateurs sphériques et homogènes, dont on tire des modèles simplifiés, intuitifs, et proches de la solution exacte des équations de Maxwell.Entre autre résultats, ces modèles nous ont permis de proposer un design d'antenne optique compacte, directive, à taux de désexcitation et rendement quantique élevés en utilisant une structure hybride métal-diélectrique. Des collaborations avec des expérimentateurs ont permis de valider, d'une part les caractéristiques de chromophores auto-assemblés par ADN (S. Bidault à Paris), et d'autre part, la possibilité d'utiliser plusieurs résonances électriques et magnétiques combinées (supportées par des sphères diélectriques d'indice modéré, n=2,45) pour réfléchir ou bien collecter le rayonnement d'un émetteur dipôle électrique placé à proximité (expérience menée dans le régime micro-ondes par R. Abdeddaim et J-M. Geffrin)Optical antennas are structures able to convert, in both ways, electromagnetic energy between a light beam and a source (or absorber) placed in the structure. The use of sub-wavelength resonators enables one to realize this function in an efficient way, on relatively broad bandwidths, and to have a compact design. A good understanding of the optical properties of such resonators, taken individually, and of their couplings, is thus necessary in order to propose efficient optical antenna designs. In this manuscript, using a multipole decomposition of the fields and a T-matrix method, we obtain rigorous analytical solutions for spherical, homogeneous resonators, from which we deduce simplified, intuitive models that are still very close to the exact resolution of the Maxwell equations.Among other results, those models enabled us to propose a nanoantenna design that is at once compact, radiative and efficient, by using a hybrid metallo-dielectric structure. Some collaborations with experimental groups enabled us to validate, on the one hand, the optical characteristics of hybrid chromophores that are self-assembled using a DNA template (S. Bidault, Paris), and on the other hand, the possibility of using multiple combined electric and magnetic resonances (supported by dielectric spheres of moderate refractive index, n=2.45) in order to reflect, or more importantly collect, radiation coming from an electric dipole emitter placed nearby (the experiment was realized in the microwave regime by R. Abdeddaim and J-M. Geffrin)
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Graells, Castellà Simó. "Creixement de nanoestructures plamòniques mitjançant la deposició induïda per un feix d'electrons focalitzat." Doctoral thesis, Universitat Ramon Llull, 2009. http://hdl.handle.net/10803/9143.
Full textAbstract:
L'enginyeria de les propietats plasmòniques de les nanoestructures metàl·liques requereix un control acurat de les seves formes i distribució. Això normalment s'aconsegueix amb l'ús de la litografia per feix d'electrons sobre polímers electro-sensibles combinat amb la deposició de capes fines de metall i el lift-off. La deposició directa i localitzada de metalls induïda per un feix d'electrons (FEBID per Focused Electron Beam Induced Deposition) és un mètode alternatiu querecentment ha rebut un interès creixent en microelectrònica però encara no ha despertat massa atenció dins la comunitat d'òptica. L'FEBID és el resultat de la descomposició local, per un feix
d'electrons focalitzat, de les molècules d'un precursor adsorbides sobre una superfície. Aquesta s'ha aplicat majoritàriament en la escriptura directa de contactes o per a la reparació de circuits, però amb l'ús de metalls nobles podria aprofitar-se per a l'òptica de plasmons.
En aquesta tesi es demostra l'ús de l'FEBID per a fabricar nanoestructures d'or per a aplicacions d'òptica de plasmons. S'investiguen els efectes del material del substrat i dels paràmetres de deposició, com ara el corrent del feix i la pressió de vapor d'aigua, sobre el ritme de creixement i la puresa de l'or. S'ha emprat un recuit ex situ de la mostra com a mètode de millora de la puresa. Les mesures òptiques de dispersió sobre les estructures purificades evidencien que suporten plasmons de superfície localitzats. Aquest mètode de fabricació permet el creixement d'estructures plasmòniques amb una elevada relació d'aspecte i ha de facilitar l'escriptura en superfícies no planes com l'extremitat d'una sonda de rastreig allargada.
La ingeniería de las propiedades plasmónicas de las nanoestructuras metálicas requiere un control preciso de sus formas y distribución. Esto normalmente se consigue con el uso de la litografía por haz de electrones sobre polímeros electro-sensibles combinado con la deposición de capas finas de metal y el lift-off. La deposición directa y localizada de metales inducida por un haz de electrones (FEBID por Focused Electron Beam Induced Deposition) es un método alternativo que recientemente ha despertado un interés creciente en microelectrónica pero todavía no ha recibido demasiada atención dentro de la comunidad de óptica. La FEBID es el resultado de la descomposición local, por un haz de electrones focalizado, de las moléculas de un precursor adsorbidas sobre una superficie. Esta se ha aplicado mayoritariamente en la escritura directa de contactos o para la reparación de circuitos, pero con el uso de metales nobles podría ser aprovechada para la óptica de plasmones.
En esta tesis se demuestra el uso de la FEBID para fabricar nanoestructuras de oro para aplicaciones de óptica de plasmones. Se investigan los efectos del material del sustrato y de los parámetros de deposición, como la corriente del haz y la presión de vapor de agua, sobre el ritmo de crecimiento y la pureza del oro. Se ha utilizado un recocido ex situ de la muestra
como método de mejora de la pureza. Las medidas ópticas de dispersión sobre las estructuras purificadas evidencian que soportan plasmones de superficie localizados. Este método de fabricación permite el crecimiento de estructuras plasmónicas con una elevada relación de aspecto y tiene que facilitar la escritura en superficies no planas como la extremidad de una sonda de rastreo alargada.
Engineering the plasmon properties of metal nanostructures requires an accurate control on their shapes and distribution. This is conventionally achieved by using electron-beam lithography on electro-sensitive polymers combined with thin-metal-film deposition and lift-off. Direct local deposition of metals induced by a focused electron beam (FEBID for Focused Electron
Beam Induced Deposition) is an alternative method that has been receiving a growing interest in microelectronics but it has not yet received much attention in the optical community. The FEBID is the result of the local decomposition, by a focused electron beam, of precursor molecules adsorbed on a surface. It has mostly been applied to direct-contact writing or to circuit reparation, but can be applied advantageously to plasmon optics when involving noble metals.
In this thesis the use of the FEBID to fabricate gold nanostructures for plasmon optics applications is demonstrated. The effects of the substrate material and the deposition parameters, such as beam current and water vapor pressure, on both the deposition rate and the gold purity are investigated. Ex-situ annealing of the sample is used as a purity improvement method. Scattering optical measurements on the purified structures evidence that they support localized surface plasmon resonances. This fabrication method enables to grow high aspect ratio plasmonic structures and to render much easier nano-patterning on non-flat surfaces such as the extremity of an elongated scanning probe.
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Katzmann, Julia. "Untersuchungen zur effizienten Herstellung von Substraten für die oberflächenverstärkte Infrarotspektroskopie." Doctoral thesis, Saechsische Landesbibliothek- Staats- und Universitaetsbibliothek Dresden, 2016. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-193518.
Full textAbstract:
Metallische Nanostäbe mit einer Länge im Mikrometer-Bereich wirken als Antennen für infrarotes Licht: Indem unter Lichteinfall eine kollektive Schwingung der Leitungselektronen angeregt wird (ein sogenanntes Plasmon), wird das elektrische Feld an den Stabenden stark konzentriert. Besonders starke Feldkonzentrationen treten auf, wenn zwei Antennenarme durch eine schmale Lücke getrennt sind (Dimerantenne). Somit können die Antennen Licht-Materie-Wechselwirkungen -- wie beispielsweise die Absorption infraroten Lichtes von Molekülen -- verstärken. Dieses als oberflächenverstärkte Infrarotabsorption (SEIRA) bezeichnete Phänomen ist sehr nützlich, um Signale in der Infrarotspektroskopie zu verstärken. Diese Arbeit widmet sich der effizienten Herstellung von metallischen Nanostäben für SEIRA. Im ersten Schwerpunktthema werden Dimerantennen, die per Elektronenstrahllithographie (EBL) hergestellt wurden und eine auflösungsbegrenzte Lücke aufweisen, durch eine photochemische Reduktion von Metallsalzkomplexen nachträglich vergrößert. Dadurch verringert sich die Lückengröße und erreicht Werte deutlich unter der Auflösungsgrenze der EBL. Es wird gezeigt, dass diese photochemische Abscheidung die IR-optischen Eigenschaften der Dimerantennen durch plasmonische Kopplung entscheidend verändert. Zudem steigt die Infrarotabsorption von in der Lücke befindlichen Molekülen mit sinkender Lückengröße. Im zweiten Schwerpunktthema liegt der Fokus auf der günstigen Fabrikation einer Vielzahl von IR-Antennen in einem parallelen Prozess. Dabei werden poröse Template aus anodisiertem Aluminiumoxid (AAO) als Negativ für die herzustellenden Metallstäbe benutzt. Es wird zuerst gezeigt, dass die Poren des Templates durch die photochemische Reduktion von Goldsalzkomplexen befüllt werden können. Für eine gezielte Einstellung der Stäbchenlänge und die Generierung einer nanoskaligen Lücke wird weiterhin die elektrochemische Befüllung der Template untersucht. Die hiermit hergestellten IR-Antennen werden vereinzelt, auf ein Substrat aufgetragen und hinsichtlich ihrer Struktur und ihrer IR-optischen Eigenschaften charakterisiert. Die Vor- und Nachteile der untersuchten Herstellungsmethoden und ihre Eignung für die Fabrikation von IR-Antennen für SEIRA werden diskutiertMetallic nanorods with lengths in the micrometer regime act as antennas for infrared light: As incident light excites a collective oscillation of the conduction electrons (a so-called plasmon), the electric field is concentrated at the rod ends. In case two antenna arms are separated by a small gap (dimer antenna), a particularly high field concentration occurs. Thereby the antennas are capable of enhancing light-matter-interaction -- for example the absorption of infrared light by molecules. This phenomenon, termed as surface enhanced infrared absorption (SEIRA), is very useful to enhance absorption signals in infrared spectroscopy. This thesis attends to the efficient fabrication of metallic nanorods for SEIRA. The first topic in focus is the manipulation of dimer antennas fabricated by electron beam lithography (EBL), featuring a gap of resolution-limited size. By applying a photochemical reduction of metal salt complexes in solution, the dimer arms are subsequently enlarged. Thereby the gap size is reduced and reaches values clearly below the resolution limit of EBL. It is shown that the IR optical properties of dimer antennas dramatically change during photochemical metal deposition. This is due to plasmonic coupling. Additionally, the absorption of infrared light by molecules located in the gap increases with decreasing gap size. The second topic in focus is the cheap fabrication of a large number of IR antennas in a parallel process. Here, porous templates of anodized aluminum oxide (AAO) are used as a negative for the metal rods to be fabricated. Firstly, it is shown that the pores of the template can be filled by photochemical reduction of gold salt complexes. For a targeted adjustment of the rod lengths and the generation of a nanoscale gap, secondly, the electrochemical filling of acsu AAO is investigated. The IR antennas prepared by this method are extracted from the template, transferred to a substrate, and individually characterized in terms of their structure and IR optical properties. Advantages and drawbacks of the fabrication methods investigated in this work as well as their applicability to the fabrication of IR antennas for SEIRA are being discussed
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Habert, Benjamin. "Contrôle de la fluorescence par des nanoantennes plasmoniques." Phd thesis, Palaiseau, Institut d'optique théorique et appliquée, 2014. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-01023199.
Full textAbstract:
Dans ce travail de these, nous étudions comment des nano-structures métalliques modifient le processus d'émission spontannée d'objets fluorescents et jouent ainsi un rôle d'antenne. Ces structures supportent des modes optiques confinés aux interfaces metal-diélectrique: ce sont des modes plasmoniques.De par leur fort confinement, ces modes modifient la densité locale d'états optiques et permettent notamment d'accélérer le processus d'émission spontannée (facteur de Purcell). Nous étudions le cas d'une structure planaire metal-isolant-métal de type patch couplée à un ensemble de nanocristaux colloïdaux fluorescents. Nos mesures, soutenues par des calculs numériques, montrent une acceleration de l'émission fluorescente d'un facteur 80 ainsi qu'une augmentation de la directivité de l'émission. Nous décrivons ensuite le procedé de fabrication d'une structure patch metal-semiconducteur-métal pour laquelle la source fluorescente est un puits quantique émettant dans le proche infra-rouge. Nous montrons que l'antenne permet d'augmenter l'extraction fluorescente d'un facteur 8. Enfin, nous considérons le cas d'une structure sphérique composée d'un unique nanocristal fluorescent au centre d'une bille de silice entourée par une fine coquille métallique. Cette structure plasmonique accélère l'émission d'une facteur 10 et permet de supprimer le scintillement caractéristique de l'émission des nanocristaux. La coquille métallique permet également d'isoler chimiquement le nanocristal de l'environnement, assurant ainsi une grande photostabilité et une toxicité réduite. L'émetteur ainsi obtenu est donc un candidat prometteur pour des applications de marquage de fluorescence in-vivo.
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Reynaud, Clément. "Nanoantennes rectifiantes pour la conversion de lumière en électricité." Electronic Thesis or Diss., Aix-Marseille, 2019. http://www.theses.fr/2019AIXM0225.
Full textAbstract:
Depuis les travaux d'Einstein et de De Broglie au début du XXème siècle, il est admis que la lumière peut être décrite à la fois comme une onde ou comme un ensemble de particules appelées photons. La production d'énergie solaire et la détection de la lumière reposent aujourd'hui sur l'effet photovoltaïque qui exploite la description corpusculaire. Pour explorer une autre voie de transformation de lumière en électricité, le concept d'antenne rectifiante exploite cette fois la nature ondulatoire de la lumière. En tant qu'onde électromagnétique, la lumière peut être absorbée par une antenne à l'instar d'une onde radio. Les premiers arguments théoriques sur ce principe remontent à la fin des années soixante, mais ce n'est que depuis une dizaine d'années que les tentatives de réalisation expérimentale d'antennes rectifiantes pour les fréquences du visible et du proche infrarouge voient le jour grâce aux progrès des méthodes de nanofabrication. L'objet de cette thèse est de proposer une conception innovante de nano-antennes rectifiantes qui réponde aux deux verrous technologiques principaux que sont la fabrication d'antennes à l'échelle nanométrique et la rectification du courant alternatif térahertz qui s'y établit lorsque la lumière y est absorbéeSince Einstein's and De Broglie's works in the early XXth century, the double nature of light being a set of particles as well as a wave is admitted in the scientific community. Today, both solar energy production and light detection are based on the photovoltaic effect which relies on the corpuscular description of light. To investigate a new way to produce electricity out of light, the concept of rectifying antenna is derived from the wave description. As an electromagnetic wave, light can be haversted by an antenna just like a radiowave. Although the first theoretical descriptions of this phenomena go back to the late sixties, it has just been a decade since a few experimental demonstrations of rectifying antennas designed for visible and infrared light have been published. This is explained by the recent progresses of the nanofabrication processes. This thesis aim to propose an innovative design of rectifiying nanoantennas able to address the two main challenges which are: the fabrication of reproducible nanoantennas at the nanoscale; and the rectification of the alternative current which arises when light is absorbed in the nanoantennas
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Torres, Garcia Juan de. "Nanophotonic control of Förster resonance energy transfer." Thesis, Aix-Marseille, 2016. http://www.theses.fr/2016AIXM4354.
Full textAbstract:
Le transfert d'énergie par résonance de type Förster (FRET) permet de mesurer des distances nanométriques grâce à la dépendance critique de l'efficacité du transfert avec la séparation entre un donneur et un accepteur d'énergie. Le phénomène se produit quand le fluorophore donneur dans l'état excité transfère son énergie d'excitation à un accepteur à proximité de façon non-radiative avec une interaction dipôle-dipôle de champ proche. Les structures nanophotoniques sont capables de contrôler cette interaction grâce à la modification de la densité local d'états électromagnétiques (LDOS) d'un émetteur quantique. Nous avons démontré clairement l'exaltation du transfert d'énergie des paires FRET individuelles sous l'influence des nano-ouvertures percées en or et en aluminium et aussi à l'aide des designs plus complexes comme la `` antenna-in-box ". Notamment, nous avons dévoilé l'importance essentielle de l'orientation relative entre les dipôles sur les possibilités d'exaltation du transfert d'énergie par le biais des nanostructures. Également, nous avons utilisé des nanofils en argent pour démontrer un transfert d'énergie de long-distance entre deux nanoparticles séparées de plus d'un micromètre. Nos résultats éclairent le chemin de l'exploration du FRET, qui est largement utilisé dans les sciences du vivant et la biotechnologie. Les nanostructures optiques ouvrent de plus des perspectives d'applications innovantes pour la construction de biocapteurs, de sources de lumière ou dans l'industrie photovoltaïqueThe technique of Förster resonance energy transfer (FRET) determines the separation between two molecules at the nanometer scale, where molecular interactions can take place. The phenomenon requires a donor fluorophore transferring its energy in a non-radiative way, through a near-field dipole-dipole interaction, to an acceptor. Nanophotonics achieves accurate control over these interactions by modifying the local density of optical states (LDOS) of a single quantum emitter. We have clearly demonstrated enhanced energy transfer within single FRET pairs confined in single nanoapertures made of gold and also aluminum or in more complex structures like the antenna-in-box design. In particular, we have revealed the strong influence of the mutual dipole orientation on the FRET enhancement using nanostructures. Also, by means of silver nanowires, we have demonstrated a long-range plasmon-mediated fluorescence energy transfer between two nanoparticles separated by micrometer distance. Our results are clearing a new path to improve the energy transfer process widely used in life sciences and biotechnology. Optical nanostructures open up many potential applications for biosensors, light sources or photovoltaics
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Devilez, Alexis. "Optical microlenses and nanoantennas." Aix-Marseille 3, 2010. http://www.theses.fr/2010AIX30058.
Full textAbstract:
Cette thèse étudie les interactions de la lumière avec des particules de taille mierométrique et nanométrique. Les particules sont des composants optiques s'inscrivant dans un besoin de miniaturisation des systèmes optiques. Deux grands types de particules sont distingués dans ce manuscrit. D'une part, les particules diélectriques de taille mierométriques permettent de focaliser la lumière de manière analogue aux lentilles conventionnelles. Nous avons démontre que lorsque cette même bille est éclairée par un faisceau préalablement focalisé, une interférence destructive permet de réduire significativement le volume focal dans toutes les directions de l'espace. Il est important de noter que de telles performances n'avaient été réalisées qu'à l'aide de structures complexes de type métalliques ou de cristaux photoniques. Un second type de particules connaissant un regain d'intérêt en optique sont les particules métalliques qui supportent des résonances plasmoniques dans le domaine optique. Ces résonances produisent d'intenses champs électromagnétiques au voisinage de particules nanométriques, plus petites que la longueur d'onde optique. De fortes interactions entre plasmons localisés permettent également un contrôle de la position du point focal à des échelles bien inférieures à la longueur d'onde optique incidente. Du fait des dimensions de l'ordre du nanomètre des volumes de focalisation de ces « nanolentilles », il devient possible d'interagir directement avec un émetteur unique placé dans le voisinage de la particule comme une molécule fluorescente ou une boite quantique. La particule permet d'augmenter et de réorienter le signal émis par l'émetteur dans son voisinage. La particule joue ainsi le rôle de « nanoantenne » permettant de coupler une onde propagative à un état localisé de la matière et réciproquementThis thesis studies the interactions of light with particles of micrometric and nanometric size. The particles are optical components as part of a need for miniaturization of optical systems. Two major types of particles are distinguished in this manuscript. On the one hand, the micrometer-sized dielectric particles can focus light in a manner similar to conventional lenses. We have shown that when this particle is illuminated by a previously focused beam, destructive interferences significantly produce a small focal volume dimension in all directions in space. It is important to note that such performances had been achieved only by using complex structures like metal or photonic crystals. Metallic particles have also raised a great interest since they support plasmonic resonances in the optical domain. These resonances produce intense electromagnetic fields in the vicinity ofnanopartieles, smaller than the optical wavelength. Strong interactions between localized plasmons can also enable the control of the focal position at scales well below the optical wavelength incident. Given the scale of the nanometer focal volumes of these "nanolenses, it becomes possible to interact directly with a single emitter placed in the vicinity of the particle such as a fluorescent molecule or a quantum dot. The particle can increase and redirect the signal from the emitter located in its vicinity. The particle plays thus the role of "nanoantenna" for coupling propagative waves to localized states of matter and vice versa
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Al-Aridhee, Tahseen. "Numerical study of optical properties of single and periodic nanostructures : from nanoantennas to enhanced transmission metamaterials." Thesis, Besançon, 2016. http://www.theses.fr/2016BESA2004/document.
Full textAbstract:
L ’intérêt des nano-particules pour le domaine de l ’optique visible a été suscité lors du premier rapport rédigé par Faraday en 1857 et qui a initié les bases de la production de nanoparticules métalliques en vue de leur propriété optiques inattendues (coloration des solutions). Plus récemment, le contrôle et le guidage de la lumière basés sur l’excitation de résonance plasmon dans les nanostructures a permis beaucoup d’applications liées à la vie quotidienne et impliquant la lumière. La résonance plasmonique de structures métalliques estun phénomène essentiel qui conduit à des propriétés optiques uniques à travers l’interaction de la lumière avecles électrons libres du métal. L’excitation de la résonance plasmon localisé (LSPR) permet d’exalter localement l’énergie électromagnétique comme dans le cas des nano-antennes mais aussi d’acheminer la lumière à travers des canaux de dimensions sub-l sur de grandes distances distances grâce à l’excitation du Plasmonde Surface Propagatif (PSP). Au cours de cette thèse, nous avons étendu un algorithme existant afin de calculer la réponse optique (sections efficaces de diffusion et d’absorption) de NPs ayant une forme géométrie quelconque. Ce type de NP anisotrope (vis-à-vis de la polarisation incidente) peut présenter à la résonance plasmonique une section efficace de diffusion 25 fois supérieure à celle géométrique. De plus, une étude systématique importante a été effectuée afin d’optimiser la géométrie de tels Nps.En ce qui concerne la PSP qui est impliqué dans la transmission exaltée à travers les matrices d’ouvertures annulaires AAA, nous avons entrepris une étude systématique des propriétés de l’excitation du mode particul particulier sans coupure de ces nano - guides. Il s’agit du mode Transverse Electrique et Magnétique (TEM). Une étude numérique complète est alors effectuée pour correctement concevoir la structure avant qu’elle ne soit expérimentalement fabriquée et caractérisée. Pour palier certaines contraintes expérimentale, une structure inclinée est proposée et étudiée dans le cas d’un métal parfaitement conducteur. Nous avons démontrée numériquement et analytiquement certaines propriétés intrinsèques de la structure montrant un coefficient de d’au moins 50% d’un faisceau incident non polarisé indépendamment des conditions d’éclairage (polarisation,angle et plan d’incidence). Lorsque le mode TEM est excité, le flux laminaire de l’énergie à travers la structure présente une déviation géante sur de très petites distances inférieures à la longueur d’onde. Les résultats présentés dans cette thèse pourraient être considérés comme une contribution importante à la compréhension du phénomène de transmission exaltée basé sur l’excitation de ce type de mode guidéThe release of the rst report by Faraday in 1857 set the foundation of the production of metal nanoparticlesand their unexpected optical properties (coloring). More recently, controlling and guiding light via plasmonicresonance in nanostructures enable a lot of applications affecting everyday life that involves light. Plasmonresonance of metallic structures is a key phenomenon that allows unique optical properties through the interactionof light with the free electrons of the metal. The excitation of Localized Surface Plasmon Resonance(LSPR) leads to turn-on large local enhancements of electromagnetic energy as within antennas or to routelight as waveguide to desired region with high transmission through the excitation of Propagating SurfacePlasmon (PSP). During this thesis, we have developed an existing algorithm in order to calculate the opticalresponse of NPs of any shape. We have especially determined the localized energy enhancement factor interm of optical response of nano-antenna. This anisotropic (polarization dependent) NPs type can feature, atplasmon resonance, scattering efciency factor higher than 25. Moreover, an important systematic study hasbeen performed in order to optimize design of such NPs.Concerning the PSP that are involved in the enhanced transmission through Annular Aperture Arrays (AAAs),we systematically study the properties of the excitation of the peculiar Transverse ElectroMagnetic (TEM) guidedmode inside such nano-apertures. A complete numerical study is performed to correctly design the structurebefore it is experimentally characterized. For reasons associated to fabrication constraints and efciency,a slanted AAA made in perfectly conducting metal is proposed and studied. We numerically and analyticallydemonstrate some intrinsic properties of the structure showing a transmission coefcient of at least 50%ofan un-polarized incident beam independently of the illumination configuration (polarization, angle, and planeof incidence). At the TEM peak transmission, the laminar flow of the energy through the structure can exhibitgiant deviation over very small distances ( ). The results presented in this thesis could be considered as animportant contribution to the understanding of the enhanced transmission phenomenon based on the excitationof guided modes
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Bigourdan, Florian. "Nanoantennes plasmoniques." Thesis, Palaiseau, Institut d'optique théorique et appliquée, 2014. http://www.theses.fr/2014IOTA0020/document.
Full textAbstract:
Dans ce travail de thèse, on s’intéresse aux applications des concepts d’antenne pour la manipulation de la lumière. Aux fréquences optiques, les antennes métalliques font intervenir des modes de surfaces dit plasmoniques permettant une forte interaction lumière/matière dans des volumes hautement confinés. Pour tirer partie de cette propriété, on s’intéressera à trois applications des antennes plasmoniques. D’abord dans le cadre des sources de photons uniques, on présentera une étude théorique et expérimentale des performances d’émetteurs uniques en présence d’une antenne planaire métallique. Nous proposerons ensuite une stratégie pour améliorer les performances de l’antenne. Puis dans le cadre de la génération électrique de lumière par effet tunnel inélastique, on analysera la modification des propriétés de rayonnement en présence d’un petit cylindre métallique. Cette analyse ouvre la voie à la conception de sources électriques intégrées de plasmons de surface. Enfin dans le cadre de la détection de molécules en faible quantité, on étudiera théoriquement l’interaction d’un faisceau infrarouge avec une couche de molécules résonnantes déposées sur un miroir métallique nanostructuréThe work of this thesis has been devoted to a few applications of antenna concepts for the manipulation of light. In the optical range, surface modes called surface plasmon polaritons take place in the vicinity of metallic antennas, enabling a strong light/matter interaction within highly confined volumes. In order to take advantage of this property, three applications of plasmonic antennas will be investigated. First, in the case of single-photon sources, both theoretical and experimental studies of single-emitters performance when coupled to a planar metallic antenna will be presented. A strategy to enhance its performance will be studied theoretically. Then, in the case of electrical generation of light by inelastic electron tunneling, we will analyse the modification of radiation properties close to a metallic nano-rod. This analysis paves the way towards the design of integrated, compact electrical sources of surface plasmons. Finally, in the case of detecting a weak quantity of molecules, the interaction between an infrared light beam and a sub-nanometric layer of resonant molecules deposited on a nanostructured metallic mirror will be studied
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Alshehab, Maryam Habeeb. "Design and Construction of a Raman Microscope for Nano-Plasmonic Structures." Thesis, Université d'Ottawa / University of Ottawa, 2018. http://hdl.handle.net/10393/38127.
Full textAbstract:
Nanometallic structures efficiently convert light to surface plasmon-polaritons (SPPs) localized to ultra-small volumes. Such structures can provide highly enhanced fields and are of interest in applications involving plasmon-enhanced nonlinear optics. In this study, the devices consist of rectangular gold nanoantennas on a graphene layer on a SiO2/Si substrate. The nanoantennas are used to exploit SPPs to enhance the interaction between graphene and light.
Specifically, plasmon-enhanced Raman scattering from graphene is of interest. Here, the nanoantennas are spectrally-aligned with a Stokes wavelength of graphene. With the addition of a second laser source, stimulated Raman scattering can be achieved. The first laser source pumps the sample’s atoms and molecules into virtual excited states and the second one stimulates emission of a photon and relaxation to a higher mode of the ground state. This work involves designing and constructing a stimulated and spontaneous Raman microscope and also a reflectance measurement tool. Within the framework of this thesis, Raman scattering enhancement in graphene based on plasmonic resonant enhancement of the Stokes emission is demonstrated, providing a maximum cross-sectional gain of approximately 500 per antenna. This work also shows the normalized reflectance response of the nanoantenna structures of different length and width and how their resonant wavelengths shift.
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Paparone, Julien. "Contrôle de l’émission dans des nanostructures plasmoniques : nanoantennes multimères et plasmons long-range." Thesis, Lyon, 2016. http://www.theses.fr/2016LYSE1178/document.
Full textAbstract:
L'objet de cette thèse est le couplage entre des nanocristaux luminescents et des nanostructures métalliques. Ces structures présentent nombre d'intérêts dans un large panel d'applications de par l'apparition de modes électromagnétiques de surface (dénommés plasmons) que l'on contrôle via la géométrie de ces structures. Dans cette thèse, j'étudie deux types de nanostructures métalliques différentes : les plasmons « long-range» et les nanoantennes plasmoniques.Dans un premier temps je me suis intéressé à une géométrie qui couple deux plasmons propagatifs en deux modes hybrides au travers d'une fine couche de métal pour former des plasmons à forte longueur de propagations. En couplant des nanocristaux luminescents à ces modes, la répartition en énergie de l'émission dans les différents canaux de désexcitation disponibles a été étudiée. J'ai aussi montré que le métal pouvait augmenter leur taux d'émission spontanée d'un facteur 1,7. La contribution non négligeable des modes de guide conventionnels à l'émission dans ces structure a également été mise en évidence.Dans un second temps, j'ai étudié la potentielle utilisation de nanoparticules métalliques comme nanoantennes pour exalter et rediriger l'émission spontanée. La structure sera composée d'un dimère métallique créant un «point chaud » placé à proximité d'un plot métallique permettant la redirection. Des calculs FDTD montrent qu'une géométrie en pilier permet à la fois des pertes faibles (<10%), une forte augmentation de la cadence d'émission(>x80), une redirection de la lumière et ouvre la possibilité de multiplexage directif en longueur d'onde de l'information. Ces structures présentent l'avantage d'être compatibles avec les techniques modernes d'élaboration en couche mince. Des réalisations préliminaires ont alors été présentéesThe object of this thesis is the coupling between luminescent nanocristals and metallic nanostructures. These structures show numerous interest in a large variety of applications thanks to the apparition of electromagnetic surface wave known as plasmons whose properties are tailored with the geometry of these structures. In this thesis, two types of geometry will be adressed : the long-range plasmons, and plasmonic nanoantennas. In a first time, the study focuses on a geometry in which two propagative surface plasmons are coupled through a thin metal film; creating a new type of plasmons with extended propagation lenghts. By coupling the emission of nanocristals in such a geometry, the energy repartition in the different desexcitation channels available has been adressed. The viccinity of the metal has also proved to increase the spontaneous decay rate up to 1.7. The non trivial contribution of conventional waveguide modes has also been demonstrated. In a second time, the potential of using metallic nanoparticles in a pillar geometry as nanoantennas to enhance and redirect the spontaneous emission has been investigated. The structure is composed of a metallic dimer creating a hotspot on top of which another metallic nanoparticles has been placed. FDTD simulations has shown that this kind of geometry can lead to few loss (<10%), a strong enhancement of the emission rate (>x80), a redirection of the emission and paves the way to wavelenght multiplexing possibilities. Besides, these structures present the advantage to be compatible with modern thin film elaboration techniques. Preliminary realisations have then been introduced
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Pellegrini, Giovanni. "Modeling the optical properties of nanocluster-based functional plasmonic materials." Doctoral thesis, Università degli studi di Padova, 2008. http://hdl.handle.net/11577/3425967.
Full textAbstract:
Optical properties of nanocluster-based plasmonic materials were studied along this thesis by the Generalized Multiparticle Mie approach. Far- and local-field optical properties of basic plasmonic structures such as sphere dimers and chains were successfully analyzed as a function of their composition and their topological features.
The provided physical insight is then exploited in the modeling of strongly coupled complex structures obtained by ion beam processing. These systems were called nanoplanets since they are constituted by a large central cluster surrounded by small satellite ones very close to its surface. Nanoplanets show
extremely interesting far- and local-field properties which may be carefully tailored by varying the ion beam synthesis conditions. GMM theory allowed to establish that the strong interparticle coupling is at the base of their peculiar
optical features. Finally multiple coupled cluster are proposed as efficient nanoantennae. Nanoparticle dimers were proved to provide extremely efficient broadband light extraction. If regular sphere array are used instead, broadband limitation imposed by isolated antennae may be overcome and tunable wavelength selective recombination rate enhancement is obtained.
Overall this thesis gives an interesting insight in the plasmonic properties of functional multiple coupled cluster nanostructures.
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Zhang, Cheng. "Electrical excitation of surface plasmon polaritons by inelastic tunneling electrons with resonant nanoantennas." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLO007/document.
Full textAbstract:
Les plasmons polaritons de surface (SPPs) jouent un rôle central en nanophotonique, parce que ce sont des modes optiques qui peuvent être confinés dans l’espace à l’échelle de 10 nm et dans le temps à l’échelle de 10 fs. L’excitation électrique des plasmons polaritons de surface par effet tunnel inélastique peut être ultrarapide et localisée, ce qui permet de développer une nanosource pour la nanophotonique intégrée en profitant pleinement du potentiel des polaritons plasmon de surface. Pourtant, ce processus est très inefficace avec un rendement de conversion typique de 10-7~10-5 plasmon par électron.Dans ce manuscrit de thèse, nous présentons une étude théorique et expérimentale qui vise à augmenter l’émission de plasmons de surface par effet tunnel inélastique avec une nano-antenne résonante. Nous avons développé un modèle théorique pour décrire l’émission de lumière à partir d’une jonction à effet tunnel en utilisant le théorème de fluctuation-dissipation. Nous proposons deux stratégies pour augmenter le rendement de conversion électron-plasmon. Nous introduisons un mode d’antenne résonnante confiné à l’échelle du nanomètre afin de renforcer le couplage entre le courant et le champ. En outre, nous introduisons l’hybridation d’un mode plasmonique metal/isolant/metal confiné et d’un mode d’antenne. Nous prédisons théoriquement que 30% de l’énergie émise par un dipôle est sous forme de SPP pour une longueur d’onde de travail de 800nm et une épaisseur d’isolant de 1 nm.Nous avons développé les processus de fabrication pour réaliser les antennes à effet tunnel en utilisant la configuration Al/AlOx/Au. L’antenne fabriquée présente une fonctionnalité robuste concernant les propriétés électriques et optiques. Nous montrons l’antenne permet de contrôler le spectre d’émission SPP, la polarisation d’émission SPP et renforcer l’efficacité des émissions de SPP de plus de 3 ordres de grandeur. La puissance totale émise sous forme de SPP est de l’ordre de 10 pW, quatre ordres de grandeur de plus que la puissance typique émise par une pointe de microscope à effet tunnelSurface plasmon polaritons (SPPs) plays a central role in nanophotonics because they are optical modes that can be confined in space at the 10 nm scale and in time at the 10 fs scale. Electrical excitation of surface plasmon polaritons by inelastic tunneling electrons has the potential to be fast and localized so that it offers the opportunity to develop a nanosource for on-chip nanophotonics taking advantage of the full potential of surface plasmons polaritons. However, inelastic tunneling is rather inefficient with a typical electron-to-plasmon conversion efficiency of 10-7~10-5. In this thesis manuscript, we present a study for enhancing surface plasmon emission by inelastic tunneling electrons with a resonant nanoantenna. It consists of theoretical and experimental investigations. First, we have developed a theoretical model to describe the light emission from a tunnel junction based on the fluctuation-dissipation theorem. Second, we have theoretically demonstrated two strategies to improve the antenna SPP efficiency thus aiming to enhance electron-to-plasmon conversion efficiency. We introduce a resonant antenna mode with a sub-nanometer gap in order to enhance the coupling between the inelastic current and the the mode. Furthermore, we introduce the hybridization in a nanopatch antenna between a gap mode and an antenna mode to launch SPPs: we theoretically predict that 30% of the power emitted by a dipole is converted into SPP (working wavelength at 800nm) with a 1nm gap thickness. Third, we have developed the fabrication procedures to realize antenna tunnel junctions based on the Al/AlOx/Au configuration. The fabricated antenna junction shows a robust functionality both regarding electrical and optical properties. The antenna junction is demonstrated to control the SPP emission spectrum, the SPP emission polarization and enhance the SPP emission efficiency by over 3 orders of magnitude. The total SPP power emitted is in the range of 10 pW, four orders of magnitude larger than the typical fW power emitted by a scanning tunneling tip junction
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Espinosa, Soria Alba. "Design and implementation of nanoantennas on integrated guides and their application on polarization analysis and synthesis." Doctoral thesis, Universitat Politècnica de València, 2018. http://hdl.handle.net/10251/105382.
Full textAbstract:
La fotónica sobre silicio se ha convertido en la tecnología más importante en la producción de chips integrados fotónicos. Sus grandes ventajas, entre las cuales destacan su idoneidad para la fabricación a gran escala y su bajo coste de producción, como resultado de la posibilidad del uso tecnología CMOS, son motivo suficiente para justificar su supremacía sobre otras plataformas de integración. Pese a los múltiples dispositivos ya implementados en dicha tecnología, entre los que cabe destacar filtros WDM o moduladores electro-ópticos, todavía hay espacio para la mejora, sobre todo en cuanto a la reducción del foot-print de los dispositivos o a la creación de nuevas funcionalidades para la manipulación de la luz.
Dichas mejoras podrían llevarse a cabo mediante la integración de componentes con dimensiones sub-lambda surgidos en el campo conocido como plasmónica. Esta disciplina estudia la interacción entre la luz y los metales, que viene mediada por la existencia de ondas conocidas como plasmones de superficie. Una de las propiedades clave de los plasmones es su capacidad para confinar la luz muy por encima del límite de difracción, lo cual es limitante en el caso de la fotónica sobre silicio. Sin embargo, las pérdidas por absorción de los metales a frecuencias ópticas impiden su uso para el guiado de la luz en grandes distancias. Se hace evidente, por tanto, los beneficios de unificar estos dos mundos. Usando el silicio como material conductor de la señal óptica y el metal como eficiente interactor con la luz en estructuras sub-lambda, se pueden crear nuevos dispositivos para la manipulación de las propiedades de la luz en la nanoescala.
Esta Tesis está centrada en la integración de estructuras con dimensiones sub-lambda en guías de silicio y en su aplicación a nuevas funcionalidades de manipulación de la luz en chips de silicio. Dichas nanoestructuras sirven de transductores entre la luz guiada y la radiación en espacio libre, por lo que también pueden ser denominadas nanoantenas. Para empezar, se describen las propiedades de los modos guiados en guías de onda de silicio para la correcta excitación de las nanoantenas, seguido de la demostración de técnicas de integración de estas nanoestructuras en las propias guías para aumentar su eficiencia de interacción con la luz guiada. Además, se demuestra el control coherente de la absorción y el scattering de una nanoantenna metálica integrada en una guía de silicio. Por último, a partir del posicionamiento asimétrico de la nanoestructura con respecto a la guía, se proponen y demuestran nuevos métodos de manipulación de la polarización, como la capacidad para sintetizar estados de polarización deseados a escala nanométrica. Esto desembocará en la demostración teórica y experimental de un nanopolarímetro de Stokes, basado en tecnología fotónica sobre silicio, capaz de determinar el estado de polarización de manera local, óptima, y no destructiva, habilitándose su uso para medidas de polarización en tiempo real en circuitos integrados.Silicon photonics has become the most important technology in integrated photonic chips production. Its great advantages, including its suitability for large-scale production and low-cost production, as a result of the possibility of using CMOS technology, are sufficient reason to justify its supremacy over other integration platforms. Despite the multiple devices already implemented in this technology, among which include WDM filters or electro-optical modulators, there is still room for improvement, especially in terms of reducing the devices footprint or the creation of new functionalities for the manipulation of light. Such improvements could be carried out by integrating components with sub-lambda dimensions arising in the field known as plasmonics. This discipline studies the interaction between light and metals, which is mediated by the existence of waves known as surface plasmons. One of the key properties of plasmons is their ability to confine light well beyond the diffraction limit, which is limiting in the case of silicon photonics. However, losses due to the absorption of metals at optical frequencies prevent their use for guiding light over long distances. Therefore, the benefits of unifying these two worlds becomes evident. By using silicon as the conductive material of the optical signal and the metal as an efficient light interconnector in subwavelength structures, new devices can be created for the manipulation of the properties of light at the nanoscale. This thesis is focused on the integration of structures with subwavelength dimensions in silicon waveguides and in their application to new functionalities of light manipulation in silicon chips. These nanostructures serve as transducers between guided light and free space radiation, so they can also be termed nanoantennas. To begin with, the guided modes properties in silicon waveguides are described for the correct excitation of the nanoantennas, followed by the demonstration of integration techniques of these nanostructures in these waveguides to increase their interaction efficiency with the guided light. In addition, the coherent control of the absorption and scattering of a metallic nanoantenna integrated in a silicon waveguide is demonstrated. Finally, from the asymmetric positioning of the nanostructure with respect to the waveguide, new polarization manipulation methods are proposed and demonstrated, such as the ability to synthesize desired states of polarization at the nanoscale. This will lead to the theoretical and experimental demonstration of a Stokes nanopolarimeter, based on photon-on-silicon technology, capable of determining the polarization state locally, optimally, and non-destructively, enabling its use for real-time polarization measurements in integrated circuits.
La fotònica sobre silici s'ha convertit en la tecnologia més important en la producció de xips integrats fotònics. Els seus grans avantatges, entre les quals destaquen la seva idoneïtat per a la fabricació a gran escala i el seu baix cost de producció, com a resultat de la possibilitat de l'ús tecnologia CMOS, són motiu suficient per justificar la seva supremacia sobre altres plataformes d'integració. Malgrat els múltiples dispositius ja implementats en aquesta tecnologia, entre els quals cal destacar filtres WDM o moduladors electro-òptics, encara hi ha espai per a la millora, sobretot quant a la reducció del foot-print dels dispositius o a la creació de noves funcionalitats per a la manipulació de la llum. Aquestes millores podrien portar-se a terme mitjançant la integració de components amb dimensions sub-lambda sorgits en el camp conegut com plasmònica. Aquesta disciplina estudia la interacció entre la llum i els metalls, que ve intervinguda per l'existència d'ones conegudes com plasmons de superfície. Una de les propietats clau dels plasmons és la seva capacitat per confinar la llum molt per sobre del límit de difracció, la qual cosa és limitant en el cas de la fotònica sobre silici. No obstant això, les pèrdues per absorció dels metalls a freqüències òptiques impedeixen el seu ús per al guiat de la llum en grans distàncies. Es fa evident, per tant, els beneficis d'unificar aquests dos mons. Usant el silici com a material conductor del senyal òptic i el metall com eficient interactor amb la llum en estructures sub-lambda, es poden crear nous dispositius per a la manipulació de les propietats de la llum en la nanoescala. Aquesta Tesi està centrada en la integració d'estructures amb dimensions sub-lambda en guies de silici i en la seva aplicació a noves funcionalitats de manipulació de la llum en xips de silici. Aquestes nanoestructures serveixen de transductors entre la llum guiada i la radiació en espai lliure, de manera que també poden ser denominades nanoantenes. Per començar, es descriuen les propietats de les maneres guiats en guies d'ona de silici per a la correcta excitació de les nanoantenes, seguit de la demostració de tècniques d'integració d'aquestes nanoestructures en les pròpies guies per augmentar la seva eficiència d'interacció amb la llum guiada. A més, es demostra el control coherent de l'absorció i el scattering d'una nanoantenna metàl·lica integrada en una guia de silici. Finalment, a partir del posicionament asimètric de la nanoestructura respecte a la guia, es proposen i demostren nous mètodes de manipulació de la polarització, com la capacitat per sintetitzar estats de polarització desitjats a escala nanomètrica. Això desembocarà en la demostració teòrica i experimental d'un nanopolarímetre de Stokes, basat en tecnologia fotònica sobre silici, capaç de determinar l'estat de polarització de manera local, òptima, i no destructiva, habilitant el seu ús per a mesures de polarització en temps real en circuits integrats.
Espinosa Soria, A. (2018). Design and implementation of nanoantennas on integrated guides and their application on polarization analysis and synthesis [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/105382
TESIS
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Malheiros, Silveira Gilliard Nardel 1980. "Nanoantenas para acoplamento e comunicação entre dispositivos fotônicos." [s.n.], 2014. http://repositorio.unicamp.br/jspui/handle/REPOSIP/260816.
Full textAbstract:
Orientadores: Hugo Enrique Hernández Figueroa, Gustavo Silva WiederheckerTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação
Made available in DSpace on 2018-08-26T11:40:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MalheirosSilveira_GilliardNardel_D.pdf: 5160562 bytes, checksum: 33058c0e1fc01da7e9a2ea1ab88b0ad4 (MD5) Previous issue date: 2014
Resumo: Esta tese aborda o emprego de nano-antenas e antenas ópticas com configurações e materiais diversos, envolvendo atividades de modelagem e simulação. Tais propostas visam viabilizar novas soluções para problemas desafiadores de acoplamento, e também, de comunicação, no sentido da tecnologia de comunicações sem-fio entre dispositivos ópticos integrados, incluindo os do tipo plasmônico. Neste sentido, foram avaliadas novas propostas de nano-antenas; com particular ênfase em estruturas baseadas nas chamadas antenas dielétricas ressonantes
Abstract: This thesis addresses the use of nano-antennas and optical antennas with various configurations and materials, involving modeling and simulation activities. Such proposals are intended to enable new solutions to challenging problems of coupling, and also, communication, in the sense of wireless communications between integrated optical devices, including the plasmonic ones. Accordingly, proposals for new nano-antennas were evaluated; with particular emphasis on structures based on the dielectric resonator antennas
Doutorado
Telecomunicações e Telemática
Doutor em Engenharia Elétrica
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Duperron, Matthieu. "Conception et caractérisation de nanoantennes plasmoniques pour la photodétection infrarouge refroidie." Thesis, Troyes, 2013. http://www.theses.fr/2013TROY0030/document.
Full textAbstract:
L’imagerie infrarouge refroidie est portée par une demande forte pour des applications dans les secteurs militaire, industriel et spatial. Les enjeux actuels de ce marché sont le fonctionnement à haute température et la fonctionnalisation spectrale des détecteurs.Ces enjeux peuvent être adressés grâce à l’utilisation de résonateurs optiques et leur faculté à concentrer le champ électromagnétique. Ce travail de thèse montre comment des résonateurs plasmoniques peuvent être intégrés dans la filière HgCdTe.La théorie temporelle des modes couplés a été utilisée, de manière analytique, pour optimiser à travers la condition de couplage critique, l’absorption dans un résonateur plasmonique chargé par un semiconducteur. La conception d’une photodiode HgCdTe ultramince plasmonique est ensuite détaillée. Elle repose sur l’utilisation d’un mode optique résultant du couplage entre un mode plasmon de surface et un mode gap plasmon de cavitéThe market for cooled infrared imaging technologies is growing fast due to a range of applications covering military, commercial and space. Current research for innovative systems focuses on high operating temperature and multispectral detectors.To achieve these aims, optical resonators can be used to concentrate electromagnetic fields in thin absorbing media. This thesis investigates the possibility of using plasmonic resonators for HgCdTe photodetection.Temporal coupled-mode theory is used to optimise analytically the absorption in a plasmonic resonator incorporating an absorbing semiconductor subject to the critical coupling condition. A design of a thin plasmonic HgCdTe diode is then described. This includes a hybrid plasmonic mode arising from the coupling between a surface plasmon and a cavity gap-plasmon mode
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Lopes, Manuel. "Etude de nanoantennes optiques : application aux diffusions Raman exaltées de surface et par pointe." Phd thesis, Université de Technologie de Troyes, 2008. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00357221.
Full textAbstract:
L'objectif de cette thèse est l'étude de nanostructures d'or ayant un rapport de forme important (nanofils, pointes...), assimilables à des nanoantennes optiques. Ainsi, j'ai tout d'abord étudié la diffusion Raman exaltée de surface (SERS) de réseaux de nanofils d'or de forme et de taille contrôlées produits par lithographie électronique. Je me suis notamment intéressé à l'influence des plasmons de surface localisés sur l'efficacité SERS de ces nanofils. Nous avons ainsi observé les plasmons de surface d'ordre supérieur jusqu'à 7. Nous avons alors relié l'exaltation SERS à la position de la résonance plasmon et déterminé l'efficacité des ordres supérieurs. Nous avons également mis en évidence que le maximum d'exaltation est obtenu pour une résonance plasmon proche de la longueur d'onde de diffusion Raman et ceci pour deux excitations laser différentes.Ensuite, j'ai monté une expérience de Raman en champ proche (ou TERS) et développé une technique reproductible de fabrication de pointes en or. Puis, j'ai effectué une étude quantitative des propriétés de dépolarisation des pointes métalliques utilisées en a-SNOM et en TERS. Nos résultats montrent des facteurs de dépolarisation entre 5 et 30% qui varient en fonction de la polarisation de la lumière incidente et de la forme de la pointe. Les conséquences importantes de ce phénomène de dépolarisation ont été mises en évidence dans des expériences TERS sur du Silicium cristallin; On montre que la dépolarisation doit être prise en compte pour une estimation correcte de l'exaltation induite par la pointe.
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Hewageegana, Prabath. "Theory of Electronic and Optical Properties of Nanostructures." Digital Archive @ GSU, 2008. http://digitalarchive.gsu.edu/phy_astr_diss/27.
Full textAbstract:
"There is plenty of room at the bottom." This bold and prophetic statement from Nobel laureate Richard Feynman back in 1950s at Cal Tech launched the Nano Age and predicted, quite accurately, the explosion in nanoscience and nanotechnology. Now this is a fast developing area in both science and technology. Many think this would bring the greatest technological revolution in the history of mankind. To understand electronic and optical properties of nanostructures, the following problems have been studied. In particular, intensity of mid-infrared light transmitted through a metallic diffraction grating has been theoretically studied. It has been shown that for s-polarized light the enhancement of the transmitted light is much stronger than for p-polarized light. By tuning the parameters of the diffraction grating enhancement can be increased by a few orders of magnitude. The spatial distribution of the transmitted light is highly nonuniform with very sharp peaks, which have the spatial widths about 10 nm. Furthermore, under the ultra fast response in nanostructures, the following two related goals have been proved: (a) the two-photon coherent control allows one to dynamically control electron emission from randomly rough surfaces, which is localized within a few nanometers. (b) the photoelectron emission from metal nanostructures in the strong-field (quasistationary) regime allows coherent control with extremely high contrast, suitable for nanoelectronics applications. To investigate the electron transport properties of two dimensional carbon called graphene, a localization of an electron in a graphene quantum dot with a sharp boundary has been considered. It has been found that if the parameters of the confinement potential satisfy a special condition then the electron can be strongly localized in such quantum dot. Also the energy spectra of an electron in a graphene quantum ring has been analyzed. Furthermore, it has been shown that in a double dot system some energy states becomes strongly localized with an infinite trapping time. Such states are achieved only at one value of the inter-dot separation. Also a periodic array of quantum dots in graphene have been considered. In this case the states with infinitely large trapping time are realized at all values of inter-dot separation smaller than some critical value.
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Huynh, Dan-Nha. "Nonlinear optical phenomena within the discontinuous Galerkin time-domain method." Doctoral thesis, Humboldt-Universität zu Berlin, 2018. http://dx.doi.org/10.18452/19396.
Full textAbstract:
Diese Arbeit befasst sich mit der theoretischen Beschreibung nichtlinearer optischer Phänomene in Hinblick auf das (numerische) unstetige Galerkin-Zeitraumverfahren. Insbesondere werden zwei Materialmodelle behandelt: das hydrodynamische Modell für Metalle und das Modell für Raman-aktive Materialien. Im ersten Teil der Arbeit wird das hydordynamische Modell für Metalle unter Verwendung eines störungstheoretischen Ansatzes behandelt. Insbesondere wird dieser Ansatz genutzt, um die nichtlinearen optischen Effekte, Erzeugung zweiter Harmonischer und Summenfrequenzerzeugung, mit Hilfe des unstetigen Galerkin-Verfahrens zu studieren. In diesem Zusammenhang wird demonstriert, wie das optische Signal zweiter Ordnung von Nanoantennen optimiert werden kann. Hierzu wird ein hier erarbeitetes Schema für die Abstimmung des eingestrahten Lichtes angewandt. Zudem führt eine intelligente Wahl des Antennendesigns zu einem optimierten Signal. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird das Modell für Raman-aktive Dielektrika behandelt. Genauer wird die nichtlineare Antwort dritter Ordnung für stimulierte Raman-Streuung hergeleitet. Diese wird dazu genutzt, um ein System aus Hilfsdifferentialgleichungen für das unstetige Galerkin-Verfahren zu konstruieren. Die Ergebnisse des erweiterten numerischen Verfahrens werden im Anschluss gezeigt und diskutiert.This thesis is concerned with the theoretical description of nonlinear optical phenomena with regards to the (numerical) discontinuous Galerkin time-domain (DGTD) method. It deals with two different material models: the hydrodynamic model for metals and the model for Raman-active dielectrics. In the first part, we review the hydrodynamic model for metals, where we apply a perturbative approach to the model. We use this approach to calculate the second-order nonlinear optical effects of second-harmonic generation and sum-frequency generation using the DGTD method. In this context, we will see how to optimize the second-order response of plasmonic nanoantennas by applying a deliberate tuning scheme for the optical excitations as well as by choosing an intelligent nanoantenna design. In the second part, we examine the material model for Raman-active dielectrics. In particular, we see how to derive the third-order nonlinear response by which one can describe the process of stimulated Raman scattering. We show how to incorporate this third-order response into the DGTD scheme yielding a novel set of auxiliary differential equations. Finally, we demonstrate the workings of the modified numerical scheme.
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Ghenuche, Petru Virgil. "Probing the near-field optical response of plasmon nanostructures with two-photon luminescence microscopy." Doctoral thesis, Universitat Politècnica de Catalunya, 2009. http://hdl.handle.net/10803/22737.
Full textAbstract:
Esta tesis describe el diseño, la fabricación y la caracterización óptica de sistemas plasmónicos resonantes capaces de confinar y aumentar campos de luz en la escala manométrica. En primer lugar, se utilizaron modelos numéricos 3D para diseñar diferentes geometras de nanoestructuras plasmónicas acopladas, a través del cálculo de la respuesta óptica de su campo lejano y cercano. Sobre la base de estas simulaciones se fabricaron las nanoestructuras por litografía de haz electrónico. Se puso especial énfasis en el aumento de la resolución y la optimización de la reproducibilidad de parámetros críticos como la forma de las partículas y el gap entre ellas. Por último, se empleó espectroscopía de campo lejano combinada con espectroscopía de luminiscencia inducida por dos fotones (TPL) para sondar la respuesta óptica local de las geometrías optimizadas.
Hemos centrado nuestra atención en diferentes tipos de estructuras metálicas: dímeros, antenas con gap, conjuntos finitos de partículas en cadenas y en forma de estrella. Los dímeros tienen una fuerte amplificación del campo en su gap nanométrico por el acoplamiento en campo cercano de sus resonancias plasmonicas dipolares. Análogamente, antenas con gap, formadas por dos barras de oro adyacentes que soportan resonancias multipolares, pueden acoplar de manera eficiente la luz y concentrarla en volúmenes pequeños. Se ha demostrado que cadenas finitas de partículas son buenos candidatos para guiar la luz a través de secciones transversales por debajo de la longitud de onda y aquí demostramos que también se pueden utilizar como nanolentes capaces de concentrar la luz en su extremo. La distribución del campo cercano en conjuntos de partículas de oro en forma de estrella presenta una fuerte dependencia con la polarización del campo incidente que puede ser explotada para dirigirse dinámicamente a nano-objetos.
La espectroscopía de campo lejano de conjuntos de dímeros y de cadenas finitas de partculas se comparó con la espectroscopía de TPL.
Nuestro principal resultado es mostrar que la TPL es preferentemente sensible a los campos locales, permitiendo evaluar características espectrosc ópicas que no podrían resolverse de otro modo. A fin de superar las limitaciones de las medidas de conjuntos, en una segunda etapa se dedicó un considerable esfuerzo a construir y optimizar un montaje óptico para medir la señal de TPL de estructuras únicas. El uso de la micro-espectroscopía de TPL permitió obtener mapas espectrales de los modos de antenas aisladas con resolución espacial.
Como se predijo mediante cálculos, hemos sido capaces de visualizar directamente, en la resonancia, la señal de TPL amplificada dentro del gap. Nuestros resultados muestran cómo las medidas de TPL pueden compararse directamente con la distribución de la cuarta potencia del campo local calculado. Mediante el análisis de la evolución de la señal de TPL en función de la longitud de onda incidente en el gap y en las extremidades de la antena tenemos más conocimiento sobre el mecanismo físico detrás de la resonancia de la antena. Finalmente, la microscopía de TPL se utilizó para sondar el campo cercano para diferentes orientaciones de la polarización lineal incidente sobre los conjuntos de partículas en forma de estrella. Se demuestra que, a diferencia del espectro de dispersión, la distribución de TPL en la estructura depende drásticamente del estado de polarización incidente.
Nuestro estudio aporta una contribución significativa al campo de la óptica de plasmones, proponiendo nuevas geometrías para confinar de manera eficiente los campos ópticos a la escala nanometrica, aportando un profundo conocimiento sobre el uso de micro-espectroscopa de TPL como sonda óptica local. Nuestros resultados tendrán importancia en aplicaciones tales como espectroscopía mejorada, biosensores y la interacción luz-materia, donde se necesita evaluar el campo experimentado por una pequeña cantidad de materia cercana a la nanoestructura.This thesis describes the design, fabrication and the optical characterization of plasmon-resonant systems able to confine and enhance light fields down to the sub-wavelength scale. Extensive 3D numerical modeling was first used to design different geometries of coupled plasmonic nanostructures through the calculation of their far-field and near-field optical response. On the basis of simulations, the nanostructures were fabricated by e-beam lithography and thin film deposition. Special efforts were devoted to increasing the resolution and optimizing the reproducibility of critical parameters such as particle shape and interparticle gaps. Finally, far-field spectroscopy combined with two-photon induced luminescence (TPL) spectroscopy was used to probe the local optical response of the optimized architectures. We focused our attention on different families of structures: metal dimers, bar antennas, finite chains of nanoparticles and star-like particle arrangements. Particle dimers feature strong field enhancements in their sub-wavelength gap due to near-field coupling of their dipolar localized plasmon resonances. Based on the same physics, gap antennas, formed by two adjacent gold bars supporting multipolar resonances can efficiently couple to propagating light and concentrate it into tiny volumes. While finite particle chains were previously shown by other authors to be good candidates to guide light through subwavelength cross-sections, we show here that they can also be used as efficient nanolenses able to concentrate light at their extremity. Finally, the near-field distribution in star-like arrangements of gold nanoparticles exhibits a strong dependence with the incident field polarization which can be exploited for dynamical optical addressing of nano-objects. We have compared the far field spectroscopy of large ensembles of dimers and finite chains to TPL spectroscopy. Our main result is to show that TPL is preferentially sensitive to local fields and that it enables the assessment of spectroscopic features which cannot be resolved otherwise. In order to overcome the limitations of measurements on large ensembles a considerable effort was dedicated to mounting and optimizing an optical set-up enabling TPL measurement of single structures. Using the developed TPL micro-spectroscopy, spatially resolved spectral mode mapping on single resonant gap-antennas was achieved. As predicted by calculations, we were able to directly visualize at resonance the strongly enhanced TPL signal within the gap. Our results show how TPL scans can be directly compared with the convoluted distribution of the fourth power of the calculated local mode field. By monitoring the evolution with the incident wavelength of the TPL signal within the gap and at the antenna extremities we got further insight in the physical mechanism behind the buildup of the antenna’s resonance. Finally, TPL microscopy was used to probe the local fields under different orientations of the incident linear polarization near star-like arrangement of gold disks. It is shown that, unlike the scattering spectrum, the TPL distribution over the structure is found to depend drastically on the incident polarization state. Our study brings a significant contribution to the field of Plasmon optics by proposing novel geometries able to efficiently confine optical fields down to the nanometric scale, but also by providing deep insight into the use of TPL microspectroscopy to probe their local optical response. Our findings are foreseen to be important in applications such as enhanced spectroscopy, bio-sensing and enhanced light-matter interaction, where one needs to assess the actual field experienced by small amounts of matter.
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Choudhary, Saumya. "On Plasmonic Superradiance, the Scaling Laws of Spontaneous Parametric Downconversion, and the Principles and Recent Advances in Nonlinear Optics." Thesis, Université d'Ottawa / University of Ottawa, 2016. http://hdl.handle.net/10393/35132.
Full textAbstract:
This thesis covers three different topics. The first part is a pedagogical review of the basic principles and recent advances in nonlinear optics. It was originally written as a chapter for the proceedings of the “International School of Physics (Enrico Fermi)” summer school on Photonics held in June, 2014. It is included to provide some background information about nonlinear optical processes in general, and is particularly relevant for the third part of this thesis which is based on the second-order nonlinear optical process of spontaneous parametric downconversion.
The second part is based on original research, and deals with superradiance in plasmonic nanostructures. The process of superradiance, as introduced by Dicke in 1954, entails the shortening of the spontaneous emission lifetime of a collection of N quantum emitters as a consequence of the development of a macroscopic dipole moment. Specifically, the lifetime is shortened by a factor of 1/N, and the linewidth is broadened by a factor of N. Such a linewidth dependence has been previously observed in systems of several plasmonic ‘emitters’. However, a clear physical insight into this phenomenon and how it relates to Dicke superradiance has not been shown yet. In this part, we demonstrate by experiment, simulation, and a simple analytical model that Dicke’s superradiance can indeed be observed in a planar array of plasmonic nanoantennas, with a linewidth that scales linearly with the number of nanoantennas within a square wavelength.
The third part is also based on original research, and is based on the scal- ing laws of spontaneous parametric downconversion (SPDC) for a type-I phase- matching configuration. The variation of bi-photon generation rate, heralding efficiency and radiance with parameters such as crystal length, pump focussing and collection waist sizes are examined for collinear and non-collinear emission. The results can be used to maximize the brightness of the SPDC source or increase the heralding efficiency depending on the application.
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Esparza, Villa Juan Uriel. "Fabrication et caractérisation d'antennes patch plasmoniques." Thesis, Sorbonne université, 2019. http://www.theses.fr/2019SORUS088.
Full textAbstract:
Nous étudions l'interaction lumière-matière d’un nanocristal CdSe/CdS individuel et une antenne patch plasmonique. Les études réalisées dans le cadre de ce travail peuvent être visualisées en deux parties. En première, nous avons caractérisé les propriétés de photoluminescence d'un nanocristal individuel en termes de la dynamique et la spectroscopie à différents conditions d’excitation. Les nanocristaux semi-conducteurs sont des sources de photon-unique à température ambiante. Néanmoins, l’émission multi-excitonique de ces émetteurs est possible lorsque la recombinaison de deux ou plus excitons devient radiative. Nous avons développé un modèle analytique qui permet de décrire le nombre de photons émis en fonction du nombre moyen d’excitons créés par une impulsion laser. Le modèle nous a permis d'estimer le rendement quantique de la transition bi-excitonique. La deuxième partie est consacrée à l'optimisation d’un protocole de fabrication d’antennes patch. Nous avons établi un protocole de lithographie optique qui permettre de coupler un nanodisque d’or avec un nanocristal individuel de manière déterministe. En première temps, nous avons fabriqué antennes passives afin d'analyser les propriétés de réflectivité de la structure, puis nous avons fabriqué des antennes couplées à une boite quantique. Nous avons montré la modification de l’émission spontanée due au couplage avec l’antenne. Nous avons mis en évidence une émission super-poissonnienne de l’antenne après un filtrage temporel, ainsi que l’émission de lumière partialement cohérenteIn this thesis, we exploit light-matter interaction between a single semiconductor CdSe/CdS nanocrystal and a plasmonic patch antenna. This work can be divided in two main parts. We have first characterized the photoluminescence dynamics and spectroscopic signatures of single nanocrystals at different excitation powers. High quality CdSe/CdS nanocrystals are single-photon sources at room temperature. Nevertheless, multiexcitonic emission occurs when two or more excitons are recombining radiatively. We have developed an analytical model which describes the number of photons emitted by a nanocrystal as a function of the mean number of excitons created in one excitation pulse. With this model, we can calculate the quantum efficiency of the bi-exciton recombination. The second part is devoted to the development and optimization of an optical lithography protocol for patch antennas. We have stablished a protocol that allows us to couple a thin Au nano-disk above a single nanocrystal in a deterministic way. We have first fabricated passive nanoantennas in order to study reflectivity spectroscopic properties in the plasmonic structure. Later on, we have fabricated several active patch nanoantennas coupled with single CdSe/CdS nanocrystals. We have demonstrated the acceleration of spontaneous emission thanks to the coupling with the plasmons nanodisk. For some antennas, we have evidenced a super-poissonian emission signature when a post-processing temporal filter is applied. Finally, we have evidenced the emission of light partially coherent of one antenna in the proximity of the metallic square edge
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Babocký, Jiří. "Příprava a charakterizace nanostruktur s funkčními vlastnostmi v oblasti plazmoniky." Doctoral thesis, Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT, 2020. http://www.nusl.cz/ntk/nusl-432891.
Full textAbstract:
Tato dizertční práce se zabývá výrbou a charakterizací plasmonických nanostruktur. Její první část začíná krátkým úvodem do plasmoniky s navazujícím přehledem metod, které jsou v dnešní době nejčastěji používány k výrobě a charakterizaci plasmonických nanostruktur. Druhá část se pak zaměřuje na samotný výzkum, který byl v rámci PhD studia realizován. Cílem prvních experimentů bylo prozkouat možnosti použití elektronové litografie za variabilního tlaku v procesní komoře pro výrobu plasmonických nanostruktur na nevodivých substrátech jako je např. sklo. Jelikož se jedná o materiály, které jsou velice často používány k přípravě plasmonických struktur pacujících v oblasti viditelného světla. Druhá sekce pak diskutuje některé specifické aspekty přípravy plasmonických mikrostruktur elektronovou litografií pro THz oblast. Poslední část se pak zaměřuje na funkční vlastnosti plasmonických nanostruktur, převážně pak na kvantitativní charakterizaci fáze dalekého pole indukovaného plasmonickými nanostrukturami a jejich aplikacemi v oblasti optických metapovrchů - uměle připravených povrchů, které mohou být použity jako planární optické komponenty. Práce demonstruje a diskutuje různé experimentální přístupy použití mimoosové holografické mikroskopie pro jejich charakterizaci.
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Li, Claire. "Étude des propriétés de champ proche et de champ lointain des nano-antennes infrarouges." Thesis, Paris Sciences et Lettres (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019PSLET044.
Full textAbstract:
Les nano-antennes permettent la manipulation spatiale et spectrale de la lumière à des échelles petites devant la longueur d'onde. Elles peuvent être arrangées en réseaux en périodisant un motif afin de réaliser des métasurfaces aux propriétés optiques spatialement homogènes et accordables. Une application prometteuse est l'utilisation de nano-antennes en tant qu'émetteurs thermiques pour la conception de sources infrarouges performantes qui s'affranchissent des limitations des sources conventionnelles. Cependant, les mesures effectuées sur de tels ensembles font survenir des effets collectifs comme du couplage inter-antenne, qui sont susceptibles de perturber la réponse optique globale par rapport à celle de la cellule unité. L’objectif de cette thèse est de développer des méthodes expérimentales à haute sensibilité et résolution pour caractériser la réponse optique intrinsèque d’un objet sub-longueur d’onde de sorte à mieux comprendre les processus résonants à l’échelle de la nano-antenne unique. L’étude repose sur deux axes de recherche principaux, l’un dédié à une technique d’imagerie de champ proche faisant appel à un microscope à effet tunnel à rayonnement thermique capable d’atteindre la super-résolution, l’autre consacré au développement d’un montage expérimental original permettant d’extraire le spectre d’émission d’une nano-antenne unique en champ lointain. Suite aux résultats obtenus avec des nano-antennes uniques, des structures plus complexes comportant plusieurs nano-antennes sont examinées pour caractériser leur interaction. Ces travaux ouvrent des perspectives intéressantes pour améliorer la conception de structures nanophotoniques basées sur les nano-antennes et maîtriser leur comportement à la fois dans le champ proche et le champ lointainNanoantennas have the ability to manipulate light both spatially and spectrally at the nanoscale. They can be arranged in arrays by the periodization of a pattern in order to construct tunable metasurfaces with spatially homogeneous properties. A promising application is the use of nanoantennas as thermal emitters for the design of infrared sources that bypass the limitations of conventional ones. Nevertheless, ensemble measurements give rise to collective effects such as inter-antenna coupling that are liable to impair the global optical response compared to that of the unit cell. The objective of this thesis is to develop highly-sensitive experimental methods that can resolve the intrinsic optical response of a subwavelength structure so that resonant processes at the single nano-antenna scale are better understood.The study hinges on two main research axes, one dedicated to a near-field technique using a thermal radiation scanning tunneling microscope for super-resolved imaging, the other pertaining to the development of an original experimental set-up that can extract the emission spectrum of a single nanoantenna in the far field. Following the results obtained with single nanoantennas, more complex structures comprised of several nanoantennas are investigated to characterize their interaction. This work paves the way towards design improvement of nanophotonic structures based on nanoantennas and control over their behavior in both the near field and the far field
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Soun, Léna. "Exaltation d’effets non linéaires dans des métasurfaces à multi-résonances accordées." Thesis, Institut polytechnique de Paris, 2020. http://www.theses.fr/2020IPPAX066.
Full textAbstract:
Les nano-antennes sont des composants nanostructurés capables de concentrer la lumière dans des volumes sub-longueur d’onde, exaltant le champ électrique selon plusieurs ordres de grandeur. Cela est particulièrement intéressant pour la génération d’effets non linéaires, qui dépendent des puissances du champ électrique incident. En effet, les effets non linéaires d’ordre 2, qui permettent les phénomènes de conversion de fréquence, comme la génération de second harmonique (SHG), ou la différence de fréquence (DFG), dépendent du carré du champ électrique. Ainsi, si l’on inclut un cristal non linéaire dans une nano-antenne, on peut exalter significativement ces effets. L’objectif de cette thèse est donc de concevoir des nano-antennes permettant de générer efficacement des effets non linéaires d’ordre 2. De tels dispositifs pourraient être appliqués à la création de nouvelles sources pour la spectroscopie infrarouge.Le travail de thèse va de la modélisation électromagnétique des effets non linéaires dans les nanostructures à la démonstration expérimentale. La modélisation de polarisation non linéaire générée suivant l’axe optique a été développée en s’appuyant sur une méthode modale B-Spline pour les calculs linéaires. Ce modèle a permis de simuler les effets non linéaires liés à cette polarisation, d’affiner la compréhension des phénomènes physiques dans les nanostructures multi-résonantes, et d’optimiser une structure ayant une efficacité de 0.1 W/W² en différence de fréquence dans l’infrarouge. La conception d’un échantillon a permis de valider les propriétés résonantes, ainsi qu’une démonstration expérimentale de génération de second harmoniqueNano-antennas are nanostructured componentscapable of concentrating light in subwavelengthvolumes, exalting the electric field by severalorders of magnitude. This is particularly interestingfor the generation of nonlinear effects, which dependon the powers of the incident electric field. Actually,the second order non-linear effects, which allowfrequency conversion phenomena, such as secondharmonic generation (SHG), or difference frequencygeneration (DFG), depend on the square of the electricfield. Thus, if we include a nonlinear crystal in anano-antenna, we can significantly enhance these effects.The objective of this thesis is thus to designnano-antennas that can efficiently generate secondorder nonlinear effects. Such devices could be appliedto the creation of new sources for infrared spectroscopy.The thesis work ranges from electromagnetic modellingof nonlinear effects in nanostructures to experimentaldemonstration. The modelling of nonlinear polarizationgenerated along the optical axis has beendeveloped using a B-Spline modal method for linearcalculations. This model has allowed to simulate thenonlinear effects related to this polarization, to refinethe understanding of physical phenomena in multiresonantnanostructures, and to optimize a structurewith an efficiency of 0.1W/W² in difference frequencygeneration in the infrared. The design of a sample allowedthe validation of the resonant properties, as wellas an experimental demonstration of second harmonicgeneration
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Aouani, Heykel. "Nano-antennes optiques pour l'exaltation et le contrôle de la fluorescence moléculaire dans des volumes sub-longueur d'onde." Phd thesis, Université Paul Cézanne - Aix-Marseille III, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00624233.
Full textAbstract:
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.
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Rademaker, Guido. "Métrologie avancée pour la lithographie par multi-faisceaux d’électrons." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019GREAT122.
Full textAbstract:
Afin d’accroître significativement la rapidité d’exposition de la lithographie par faisceau d’électrons, Mapper Lithography a conçu une machine permettant d’opérer avec 649 740 faisceaux d'électrons gaussiens en parallèle. Le champ d'exposition est alors divisé en 13 000 sous-champs d’une largeur de 2.2 µm, avec une zone de recouvrement de 200 nm entre eux. Plusieurs paramètres doivent être contrôlés pour atteindre les spécifications rencontrées dans les nanotechnologies : la dimension critique des motifs dans chaque sous-champs; le positionnement relatif des sous-champs (en anglais `stitching'); le positionnement des motifs par rapport à un motif déjà existant (`overlay'). Il en découle des besoins en métrologie spécifiques : très importante quantité de mesures et leur caractère innovant. Dans cette thèse, différentes techniques de métrologie optique ont été explorées afin de satisfaire ces besoins. Six nouvelles mires pour la métrologie par imagerie ont été conçues et évaluées avec des performances, en terme d’incertitude de mesure et de temps de mesure à l’état de l’art. La diffusiométrie par réflectométrie spectroscopique polarisante a été utilisée et adaptée pour la mesure de dimension critique des motifs dans chaque sous-champs. Une incertitude de mesure jusqu'à 0.4 nm a été obtenue. Des effets de résonances plasmoniques entre des nano-antennes de type papillons croisés ont été mis à profit pour mesurer le raccordement entre chaque sous-champs. Nous avons montré par simulations électromagnétiques que les désalignement DX et DY peuvent être reconstruits indépendammentTo overcome throughput limitations of electron beam lithography, Mapper Lithography designed a machine that can expose with up to 649,740 parallel Gaussian electron beams. In the exposure process, the substrate is divided into 2.2-µm-narrow stripes with a 200 nm overlap. Several parameters need to be controlled: the critical dimensions of the features in the individual stripes; the stitching between the stripes; and the overlay with respect to a previous layer. In this thesis, different optical metrology techniques are explored. Six novel targets for an image based overlay have been developed to measure in-stripe overlay and stripe-to-stripe stitching and are evaluated by total measurement uncertainty (TMU) and measurement time. Scatterometry by spectroscopic reflectometry allows for measurement of non-uniform gratings using an effective critical dimension concept, resulting in a total measurement uncertainty metric down to 0.41 nm (3σ). Stitching can be measured by cross-resonant bow-tie antennae, consisting of four triangles straddling the stitching boundary. Simulations for three different stacks show that the DX and DY stitching errors can be reconstructed independently
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Guillot, Nicolas. "Propriétés optiques de nanoparticules métalliques et application aux nanocapteurs par exaltation de surface." Phd thesis, Université Paris-Nord - Paris XIII, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00844312.
Full textAbstract:
Le travail présenté dans ce manuscrit a permis de mettre en lumière les différentes possibilités menant à l'optimisation de l'efficacité de capteurs basés sur la résonance de plasmons de surface localisé (RPSL) et fabriqués par des techniques contrôlant précisément la géométrie des nanostructures métalliques. L'accent a été mis plus particulièrement sur les capteurs par RPSL et sur les capteurs par diffusion Raman exaltée de surface (DRES). Le premier chapitre a rappelé les paramètres clés menant à l'optimisation recherchée, i.e., la nature du métal, la taille de la nanoantenne, sa forme, son milieu environnant, la polarisation du champ électrique incident, la séparation entre les nanoparticules et la présence d'ordres supérieurs. Le second chapitre s'est davantage centré sur les capteurs DRES en exposant le principe et les possibilités d'optimisation de leur signal dans le cas de rangées de nanostructures d'or. Le chapitre 3 s'est consacré à l'observation de l'allure du champ électromagnétique local (amplitude et longueur de décroissance) par l'étude du couplage champ proche entre les nanoparticules d'or.
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Su, Chen-Wei, and 蘇晨瑋. "Broadband Plasmonic Nanoantennas Arrays with Transverse Dimension Effects." Thesis, 2015. http://ndltd.ncl.edu.tw/handle/61207076361298894531.
Full textAbstract:
碩士國立交通大學
光電系統研究所
103
Plasmonic broadband resonance in gold paired-rods nanoantennas and paired-strips gratings is investigated when the nanostructure’s transverse (non-polarization) dimension is changed from paired-rods to paired-strips. Transmittance spectra and localized electromagnetic fields are analyzed when localized surface plasmon resonance occurs. Increasing the transverse dimension blue shifts the resonance wavelength and widens its bandwidth due to cancellation of the magnetic field between nanoantennas. A derived resistor-inductor-capacitor (RLC) equivalent circuit model verifies the nanostructures’ resonance when elongating the transverse dimensions. Paired-strips gratings have a bandwidth 2.04 times and mode area 2.18 times that of paired-rods nanoantennas.
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Huang, Chen-Hsien, and 黃振咸. "The Modulation Effect of Photoluminescence of Plasmonic Nanoantennas." Thesis, 2015. http://ndltd.ncl.edu.tw/handle/23439612451372977302.
Full textAbstract:
碩士國立清華大學
化學系
103
A gold plasmonic nanoantenna can provide additional local density of optical states (LDOS) for excited quantum emitters to radiative decay and thereby can shape the emission properties of the emitters. One example is the modulation of the antenna’s photoluminescence spectrum. Here, we fabricate gold nanoantennas with various size and study the modulation effect of gold nanoantennas systematically. All of the symmetry antennas show obvious modulation effects on the photoluminescence spectrum due to the transverse resonance, antibonding, higher-order and fundamental longitudinal localized surface plasmon resonance mode. The spectral features are in good agreement with that in the spectra obtained from dark-field scattering and numerical simulations. However, we have repeatedly observed extraordinary blue spectral shift for resonant modes between scattering and photoluminescence spectrum in symmetry antenna, but can’t observe in single nanorod. Our work shows that photoluminescence is strongly modulated by the LDOS of the nanoantennas and therefore can be used as a local luminescence source to report the LDOS.
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林晉平. "Plasmonic nanoantennas for optical chirality and circular dichroism enhancement." Thesis, 2014. http://ndltd.ncl.edu.tw/handle/35386222087392630821.
Full textAbstract:
碩士國立清華大學
化學系
102
Due to the weak signal of circular dichroism（CD） spectrum, this thesis uses finite-difference time-domain（FDTD） to simulate that enhanced optical chirality produced by plasmonic nanoantenna can improve CD signals. We present a design of plasmonic nanoantenna which has slant gap. When plasmonic nanoantenna at resonance by varying the total antenna length, the gap generates highly enhanced electric field that parallel to impinging magnetic field with a phase delay of π⁄2, lead to enhanced optical chirality. On the other hand, tuning the slant angle of the gap also has an influence on enhanced optical chirality. Thus, we can manipulate the enhancement of optical chirality by tuning the total length and the slant angle of plasmonic nanoantenna. Besides, we also show that asymmetric cross antenna can generate optical chirality above the antenna and interact with the dielectric material. We build cavity ring-down spectroscopy（CRDS） for experiment. CRDS has high sensitivity and it can combine with total internal reflection to have higher signal to noise ratio. In the future, combine CRDS with slant gap plasmonic nanoantenna or asymmetric cross antenna, we are able to obtain enhanced circular dichroism by linearly polarized light instead of circularly polarized light.
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Chen, Ruo-Ping, and 陳若平. "New design of Multiple-wavelength plasmonic nanoantennas in IR regions." Thesis, 2015. http://ndltd.ncl.edu.tw/handle/38824761979535203438.
Full textAbstract:
碩士國立高雄應用科技大學
電子工程系碩士班
103
In this paper, we discussed the parameter of grating arrays and characteristics. We use finite-difference time-domain method (FDTD) and adjust characteristics of grating arrays, due to the double-wavelength single-focal-point plasmonic nanoantennas and the multiple-wavelength plasmonic nanoantennas arrays have been proposed. We design a new IR multiple-wavelength plasmonic nanoantennas structures by adjust characteristics of grating arrays rods. The numerical results show that the multiple-focal plasminic nanoantennas arrays can focus light waves in seven focal points at seven IR wavelengths. The electric field intensity enhancement is at least 750 in each arrays. Next, we design the double wavelength single-focal plasmonic nanoantennas resonating at the optical communication wavelengths 1310nm, 1490nm and 1550nm simultaneously by arranging the straight and the oblique grating arrays. The numerical results show that the structures resonating at the optical communication wavelengths 1310nm and 1490nm and 1550nm simultaneously by the single-focal point plasmonic nanoantennas to focus light waves at the same focal point. The electric field intensity enhancement is at least 600. In the age of information explosion, these structures would be the potential main components in the applications of optical manipulation,multi-spectral single-molecule spectroscopy in molecule detections and biological sensing devices.
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Liu, Cheng-Wei, and 劉鎮瑋. "Ultrafast spontaneous light emission in Cadmium-free quantum dots using plasmonic nanoantennas." Thesis, 2016. http://ndltd.ncl.edu.tw/handle/kq89pj.
Full textAbstract:
碩士中原大學
物理研究所
104
Solution-processed nanomaterials (NMs) have attracted much attention owing to their unique photo-physical and materials properties that have been applied in a variety of promising applications in biophotonics and optoelectronics. Recently, quantum-dot (QD) based displays have been commercialized by Sony and Samsung, which can outperform conventional LED-based displays. Unfortunately, the most mature nanomaterial systems all rely on heavy-metal-containing semiconductor compounds, such as CdSe, CdTe, and PbSe, which would be replaced with less toxic or even eco-friendly nanomaterials. Recently, heavy-metal-free NMs, such as I-III-VI CuInS2 QDs, gold nanoclusters and carbon dots (CDs) have been developed, which would be alternatives to toxic Cd/Pb based QDs. Unfortunately, those “green” NMs only hold moderate photo-physical properties, such as low photoluminescence (PL) quantum yields in the solid states and long radiative lifetime. To address these issues, the plasmonic nanoantennas with broad resonance bandwidth can be used to couple spectral broad light emitters thanks to the Purcell effect. Here, three types of "green" NMs, namely CDs, core/shell CuInS2/ZnS QDs, and metal nanoclusters, were investigated using steady-state, time-resolved and spatial resolved PL spectroscopy. The whole sample configuration consist of gold thin film coated substrate, a thin dielectric layer doped with "green" NMs, and plasmonic nanoantennas. We found that upon coupling to such hybrid nanoantennas, In despite of distinct PL emission mechanism of three-type NMs, the PL emission of those emitters can be enhanced accompanied with large PL lifetime shortening. Based on the analyses of the experimental data, large acceleration of radiative decay rates is responsible for the observed behavior. Our demonstrate can pave a way to further design "green" light sources with sub-nanosecond PL lifetime, which is much beneficial for their applications in light-emitting related devices.
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Lin, Yu-Kai, and 林裕凱. "Fabrication of Au-Nanocrystal-Array/Si Plasmonic Nanoantennas and Their Wavelength-Selective Photoswitching Property." Thesis, 2013. http://ndltd.ncl.edu.tw/handle/64505398131280012079.
Full textAbstract:
博士國立清華大學
材料科學工程學系
101
Au-nanocrystal-array/silicon nanoantennas exhibiting wavelength-selective photocurrent enhancement were successfully fabricated by a facile and inexpensive method combining colloidal lithography (CL) and a metal-assisted chemical etching (MaCE) process for the first time. These nanoantennas comprise Au nanocrystal arrays inlaid in silicon substrates with controllable degree of immersion. The localized surface plasmon resonance (LSPR) response and wavelength- selective photocurrent enhancement characteristics were achieved by tuning the depth of immersion of Au nanocrystal arrays in silicon through a MaCE process. Compared to conventional Au particles on Si, the high near-field enhancement increases with the fraction of their volume in intimate contact with the substrate in the Au nanocrystal array inlaid Si structure. On the other hand, LSPR responses, which are extremely sensitive to dielectric properties of metal and the surrounding environment, can be tuned by the depth of immersion of Au nanocrystal array on/in silicon. The wavelength selectivity of photocurrent enhancement contributed by LSPR induced local field amplification was confirmed by simulated near-field distribution. The wavelength maximum of LSPR scattering (max) exhibits sensitivity to the surrounding environment and shows consistence with the simulated results obtained by the finite-difference time-domain (FDTD) method. The wavelength-selective photocurrent enhancement characteristics were measured under illumination of lasers of different wavelengths and under dark conditions. In addition, the repeatability of wavelength-selective photocurrent enhancement was also tested by multiple ON/OFF cycles and can be exploited as photoswitches. The wavelength-selective photocurrent enhancement (>70 %) operated under low voltage (<200 mV) was achieved under laser illumination coincident to its LSPR max. In addition, the wavelength-selective photocurrent enhancement can be elucidated by the FDTD simulations of the near-field enhancements (|E|^2), which can intensify local electromagnetic field and optical absorption. The good tunability over LSPR responses and wavelength-selective photocurrent enhancement characteristics can be exploited as low power-consumption photoswitches and nano-optoelectronic and photonic communication devices. Furthermore, it can be integrated into the well-developed Si-based manufacturing process.
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CASELLI, NICCOLO'. "Imaging and engineering optical localized modes at the nanoscale." Doctoral thesis, 2015. http://hdl.handle.net/2158/1022507.
Full textAbstract:
Two-dimensional photonic crystal cavities fabricated on semiconductor slab are the state of the art devices to strongly localize electromagnetic fields in volumes below a cubic optical wavelength of light, thus acting as effcient nano-resonators. The high quality factor of two-dimensional
photonic crystal cavities allows these systems to reach the strong coupling regime between the photonic localized mode and a two level quantum emitter. However, a fundamental request to maximize these effects is the precise positioning of the light source in the exact maximum spot of the localized modes. Moreover, when systems of interacting resonators are conceived, a basic condition to be satisfied is the precise control on the overlap between adjacent elements to induce an effective coupling. The sub-wavelength imaging of the electromagnetic fields localized in optical nano-resonators is therefore
of the utmost relevance in the road map to integrate photonic nano-resonators in chipset architectures. In order to experimentally achieve this goal we need to overcome the resolution limitations that are imposed by light diffraction to any standard microscope, as reported in Chapter (1). In this Chapter we also investigate and review the more commonly methods employed to achieve a sub-wavelength spatial resolution. In particular, we describe the principle of operation of the scanning near-field optical microscope. In Chapter (2) we describe the basic properties of light confinement in photonic crystal nanocavities and also in optical nano-resonators based on disordered arrangements of light scatterers, where multiple scattering regime gives rise to randomly placed
nanocavities. In particular, we illustrate how, on one hand, near-field techniques can experimentally probe the e.m. optical fields localized at the nanoscale and, on the other hand, how finite elements numerical calculations can simulate the behaviour of light in such nano-resonators. In Chapter (3), by exploiting the scanning near-field probe perturbation imaging technique, we report the sub-wavelength mapping of the electric or magnetic localized field component of light using dielectric tapered probes or aperture metal coated probes, respectively. The advent of artificial metamaterials operating at optical frequencies,
in which the magnetic interaction with light can be as relevant as the electric response, makes it straightforward to simultaneously detect both the e.m. field components. Therefore, here we develop a plasmonic-based near-field probe to strongly enhance the collection efficiency from light-emitting nano-structures and, more interestingly, to achieve an ultra-bright and sub-wavelength simultaneous detection of both the resonant electric and magnetic fields.
Photoluminescence based imaging methods, however, require optically active samples with the constrain of a spectral and spatial matching between the photonic mode and the light sources, which may suer of bleaching or blinking. Therefore, a pure optical method that can be applied on any kind of high quality factor nano-resonators to retrieve the confined modes distributions is actually missing. In order to achieve this goal we investigate the localized nanophotonic modes by developing a different approach. The presented experimental method, as reported in Chapter (4), combines scanning near-field optical microscopy with resonant scattering spectroscopy, and it is called Fano-imaging. This technique largely extends the investigation of nanoscale localized light states, since it is applicable to nano-resonators based on any kind of material, even where light sources cannot be embedded. Moreover, resonant scattering experiments exhibit spectral Fano resonances, which correspond to the interference between light directly scattered from the sample and light scattered after being resonantly coupled tothe localized mode. From the detailed analysis of Fano lineshapes it is possible to retrieve a deep sub-wavelength imaging of both the electric field intensity and the electric field spatial phase distribution, polarization resolved. Thus, we obtain unprecedented
local information about the resonant light states. In Chapter (5) we deeply investigate, both theoretically and experimentally, systems composed by coupled nano-resonators, called “photonic molecules”. In fact, light behaviour in system based on multiple aligned photonic crystal nanocavities resembles the molecular interaction where the resulting normal modes exhibit energy splitting and spatial delocalization. This condition is achieved by an evanescent photon tunnelling, which occurs whenever the resonant wavelength matching condition and the electromagnetic field spatial overlap between them are fulfilled. These structures represent a large research topic also for quantum optics. However, a fundamental requirement to create proper quantum-optics devices is the design and control of adjacent nanocavity modes at the target wavelengths, within an accuracy which is not directly obtainable due to the fabrication tolerances. The compensation of the fluctuations related to the structural disorder and, more generally, the control of the resonance wavelength of each resonator and also of the tunnelling coefficient between adjacent nanocavities is a primary task to be achieved for developing efficient operating devices. In our analysis, we compare the interaction strength and the mode symmetry character of photonic molecules aligned along different lattice symmetry directions and composed by two or three photonic crystal nanocavities. Moreover, we theoretically evaluate the proper set of parameters to efficiently act on the coupling strength at the fabrication level or even with post-growing techniques. In particular, we develop a laser-assisted local oxidation of the dielectric environment in which the photonic cavities are fabricated. This oxidation induces a smooth and irreversible spectral shift of the resonant modes confined at the laser spot location. Therefore, the spatial selectivity of the postfabrication technique is exploited not only to adjust the resonant wavelength of a given
nano-resonator to a target value, but, more strikingly, to modify the coupling strength in photonic molecules. Finally, by comparing the case of two and three nano-resonators we investigate the nearest-neighbour and next-nearest-neighbour coupling in array of photonic molecules. The last part of the thesis deals with the engineering of light states localized in strongly scattering disordered media, as reported in Chapter (6). Light behaviour in complex disordered systems attracts a lot of attention by fundamental physics as well as by technological applications involved in imaging through turbid media such as fog, clouds or living tissues. The occurrence of localized states in disordered media is a well-established phenomenon traced back to Anderson localization for electrons. However, the interaction between adjacent light sates driven by disorder has still to be completely understood and experimentally investigated. In Chapter (6) we demonstrate the possibility to engineer the confinement and the mutual interaction of modes in a two-dimensional disordered photonic structure. On one hand, the strong light confinement is achieved at the fabrication stage by an optimization of the design parameters. On the other hand, exploiting the accurate and local post-fabrication laser oxidation, we probe the interaction between overlapping localized modes, thereby paving the way for the creation of open transmission channels in strongly scattering media.
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Jiang, Jhih-Cyuan, and 姜治全. "Design of plasmonic optical nanoantenna." Thesis, 2016. http://ndltd.ncl.edu.tw/handle/72093987493234117617.
Full textAbstract:
碩士健行科技大學
電子工程系碩士班
104
This thesis is divided into two topics, i.e., topic 1: Study of the surface plasmon effects on the periodic array of cavity based Au trapezoid nanoantenna, and topic 2: comparative study of varying media filled inside the cavity based trapezoid nanoantenna with shell thickness of t=10 nm In topic 1, the surface plasmon effects on the periodic array of cavity based trapezoid nanoantenna are investigated by using the finite element method (FEM) in three-dimensional calculation. Simulation results show that the electric field intensity (measured in the gap) of the single cavity cases is much higher than that of the double cavity case. It is shown that the red-shift of the proposed nanoantenna with single cavity increases as the shell thickness increases, and the red-shift can be reached a value of 760 nm as the shell thickness t being 5 nm. On the basis of the calculation results from topic 1, we further explored the surface plasmon effects arising from various dielectric media filled inside the cavity of the proposed nanoantennas with shell thickness t=10 nm and found that the electric field intensity (measured in the gap) of double cavity cases is much higher than that of single cavity case. Besides, the red-shift obtained from the double cavity cases is larger than that of single one. The red-shift can be reached a value of 550 nm for single cavity cases and 660 nm for double cavity cases.