Thèses sur le sujet « Nanostructure plasmonique »
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Guise, Julien. « Fabrication d’un modulateur THz à base de méta-surfaces photo-générées ». Electronic Thesis or Diss., Université de Montpellier (2022-....), 2023. http://www.theses.fr/2023UMONS076.
Texte intégralRésumé :
Cette thèse se déroulera entre l’IES à Montpellier et l’Institut Pascal (IP) à Clermont-Ferrand. Le projet doctoral consiste à développer les briques de base d’un modulateur d’onde THz intégré par photo-génération de méta-surfaces. L’IES et l’IP travaillent depuis maintenant plusieurs années au développement d’applications originales dans le moyen infrarouge (MIR) et le THz en s’appuyant sur des concepts physiques originaux de comme la plasmonique tout semi-conducteur et les méta-surfaces photo-générées. Récemment, la modulation d’un faisceau THz jusqu’à une fréquence de coupure de 2 MHz a été mise en évidence dans des membranes minces d’InAs par photo-génération de porteurs pour une densité de puissance laser de seulement 10 W.cm-2. De telles densités de puissance sont facilement accessibles par des lasers semi-conducteurs notamment ceux développés dans le groupe Nanomir. La photo-génération de porteurs libres dans la membrane d’InAs permet de créer un matériau à epsilon proche de zéro (Epsilon Near Zero, ENZ) dans le THz. L’onde THz 50 fois plus grande que la couche mince sera très fortement réfléchie et absorbée par cette couche ENZ. Le projet de thèse consistera à développer dans un premier temps les outils numériques à l’IP pour optimiser la structure complète intégrant un laser et des couches d’InAs dopé ou non dopé. Ensuite seront développées à l’IES les étapes technologiques nécessaires à la fabrication du dispositif dans le groupe Nanomir de manière à procéder à des tests de modulation d’onde THz dans le groupe PhoteraThis thesis will take place between IES in Montpellier and Institute Pascal in Clermont-Ferrand. The doctoral project consists of developing the building blocks of integrated THz modulator based on photo-generated meta-surface. IES and IP collaborate for a few years to develop applications in the mid-infrared and THz range using original concepts such as all-semiconductor plasmonics and photo-generated meta-surface. Recently, they demonstrated the modulation of a THz wave through photo-generated meta-surface in a free-standing slab of un-doped InAs using a 800-nm laser at a weak irradiance of 10 W.cm-2. Nanomir can fabricate lasers with larger irradiance. This modulation of the THz wave is due to the photo-generated free-carriers that transform the InAs slab in epsilon near zero (ENZ) material. The THz wave 50 times smaller than the InAs slab will be reflected and absorbed by the ENZ layer. The thesis project will consist of developing numerical tools at IP to optimise the design including the laser and the un-doped and doped InAs layers. The selected structures will be fabricated at IES in the Nanomir group whereas the photo-modulation process will be characterized in the Photera group
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Bayle, Maxime. « Architectures plasmoniques enterrées : élaboration, propriétés optiques et applications ». Toulouse 3, 2014. http://thesesups.ups-tlse.fr/2664/.
Texte intégralRésumé :
Dans notre travail, nous présentons une étude d'architectures plasmoniques à base d'assemblées planes de nanoparticules (NPs) d'argent, enterrées à quelques nanomètres sous la surface d'une matrice diélectrique. L'analyse structurale des matériaux, notamment par microscopie électronique en transmission, a été menée pour déterminer le rôle des différents paramètres de la technique d'élaboration, l'implantation ionique à basse énergie, sur l'organisation à trois dimensions des NPs, dans des films de dioxyde ou de nitrure de silicium sur substrat de silicium. Afin de contrôler de manière systématique ces paramètres, nous avons étudié les réponses optiques élastique et inélastique des hétérostructures. La réponse optique élastique a été obtenue grâce à des mesures de réflectance optique, puis confrontée à des simulations numériques que nous avons développées afin de déterminer la taille moyenne des NPs et la quantité d'argent implantée. L'étude de la topographie du champ électrique a ainsi permis de tirer profit à la fois de la résonnance plasmonique et de l'amplification optique dans nos systèmes multicouches antireflet. La réponse inélastique a quant à elle été étudiée grâce à la spectrométrie Raman sur une large gamme de fréquence. Les modes collectifs de vibration (dits de Lamb) des NPs ont été analysés à basse fréquence, et à plus haute fréquence, nous avons extrait la densité d'états des modes de vibration (VDOS). Associée à des simulations atomistiques, celle-ci nous a donné des informations originales sur la dynamique vibrationnelle à l'échelle atomique et les propriétés thermodynamiques de NPs d'argent enterrées (mais également de NPs d'or déposées). Enfin, nous montrons plusieurs exemples d'applications des assemblées de NPs dans des dispositifs hybrides comme l'exploitation des couplages entre ces NPs et des dépôts (notamment de graphène) réalisés sur nos substrats. En particulier, ceux-ci peuvent être exploités pour la spectrométrie exaltée de surface (effet SERS). Puis nous avons conçu, grâce aux techniques de microélectronique, des dispositifs de plasmo-électronique exploitant les propriétés de photoconductance de ces assemblées de NPs, déposées ou enterréesIn our work, we present the study of plasmonic architectures made of a plane of nanoparticules (NPs) embedded at the vicinity of a dielectric matrix free surface, by low energy ion beam synthesis. Materials structural analysis, especially by transmission electron microscopy, have been carried out to determine the impact of the elaboration process parameters on the three dimensional organization of the NPs, in silicon dioxide or nitride layers grown on silicon substrates. To systematically check these parameters, we studied the elastic and inelastic optical responses of the heterostructures. The elastic response has been obtained by measuring the reflectance of the samples, and confronted to numerical modelling we developed, to determine the mean size of the NPs and the implanted silver amount. The study of the electric field topography allowed us to take benefit from both plasmonic resonance and optical amplification in antireflective layers. The inelastic response has been studied using Raman spectroscopy over a wide frequency range: vibrational collective modes (Lamb modes) of the NPs have been studied at low frequency, while at higher frequency, we have extracted the vibrational density of states (VDOS). Combined with atomistic simulations, the VDOS gave us original information on the vibrational dynamics and the thermodynamic properties of buried silver NPs (and deposited gold NPs). Finally, we present some applications of the assemblies of NPs in hybrid devices, such as the use of coupling between these NPs and deposited substances (e. G. Graphene) on our substrates. In particular, it can be used for surface enhanced Raman spectroscopy (SERS). Then using techniques from microelectronics, we designed plasmo-electronic devices exploiting photoconductance properties of these buried or deposited NPs assemblies
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Bryche, Jean-François. « Nanostructuration d'or pour la biodétection plasmonique et la diffusion Raman exaltée de surface : réalisation, caractérisation et modélisation ». Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLO015/document.
Texte intégralRésumé :
Ce travail porte sur la réalisation de nanostructures d'or sur substrat de verre afin d’en étudier les propriétés plasmoniques et de les optimiser pour des applications dans le domaine des biocapteurs. L'objectif principal a été de démontrer la faisabilité de combiner sur une même biopuce, les biocapteurs à résonance de plasmon de surface propagatif (SPR) et ceux basés sur la diffusion Raman exaltée de surface (SERS). Nous montrons que la présence d’un film d’or sous les nanostructures est très favorable pour une double caractérisation SPR-SERS. Afin d’étudier plus en détails les couplages entre les différents modes plasmoniques existants dans ces substrats et ainsi pouvoir déterminer la structure optimale, l’essentiel des échantillons a été réalisé par lithographie électronique. La nanoimpression assistée par UV (UV-NIL) a aussi été développé au cours de cette thèse afin de réaliser un nombre important d'échantillons et répondre aux futurs besoins de l'industrie des biocapteurs. Les performances de ces échantillons réalisés par UV-NIL ont été comparées avec ceux fabriqués par lithographie électronique. Les diamètres des nanodisques d'or varient de 40 nm à 300 nm et les périodes de 80 nm à 600 nm en fonction de la technique de fabrication. En SERS, des facteurs d’exaltation de 10^6 à 10^8 ont été obtenus grâce à la présence du film d’or continu sous le réseau de nanodisques. Ce gain est fonction de l’épaisseur du film d’or, de la longueur d’onde d’excitation utilisée et du taux de remplissage des nanostructures. En SPR, nous avons démontré expérimentalement et théoriquement la possibilité de couplage entre les modes localisés et propagatifs donnant lieu à un nouveau mode hybride, potentiellement plus sensible car plus confiné. Les calculs numériques développés pour simuler le comportement de structures réelles (présence d’arrondi, de flanc ou de couche d’accroche) confirment les résultats obtenus. L’ensemble de ce travail a permis de manière expérimentale et théorique d’apporter une meilleure compréhension des propriétés plasmoniques aux échelles nanométriques sur des structures constituées de réseaux de nanostructures d'or, notamment sur film d’or. Par ailleurs, une étude précise des différentes étapes technologiques a permis de comprendre quels éléments impactent significativement les propriétés plasmoniques des échantillons et donc améliorent ou dégradent les performances de ces substrats en tant que biocapteur. Au final, les échantillons réalisés ont été testés et validés en tant que biocapteur au sein d'un appareil bimodal SPR-SERSThis thesis is focused on gold nanostructuration on glass substrate in order to study and optimize their plasmonic properties for biosensing applications. The main goal was to demonstrate the feasibility of combining on a single biochip, Surface Plasmon Resonance Imaging (SPRI) and Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) measurements. We have demonstrated that adding a gold film under the nanostructures was highly beneficial for a dual SPRI-SERS characterization. In order to optimize the geometry of the nanostructures and understand the various plasmonic modes, most of the samples were first made by electron beam lithography. Nanoimprinting assisted by UV (UV-NIL) was also developed during this thesis to manufacture samples in large quantities and reply to the future industrial needs for biosensing applications. Performances of these UV-NIL samples were compared with those produced by e-beam lithography. Diameters and periods of gold nanodisks range respectively from 40 nm to 300 nm and 80 nm to 600 nm, depending on the manufacturing technique used. In SERS, enhancement factor of 10^6 to 10^8 were obtained thanks to the presence of the continuous gold film under the nanodisks array. We found that this gain is a function of the thickness of the gold film, the excitation wavelength used and the nanostructures filling factor. In SPRI, we have demonstrated experimentally and theoretically the existence of a coupling between the propagating and localized plasmonic modes, resulting in a new hybrid mode, potentially more sensitive due to its high confinement. Numerical models confirm these results, taking into account the defects found in real samples (rounded edges, imperfect lateral side, adhesion layer). The whole work proposes a better understanding, both experimentally and theoretically, of the plasmonic properties at nanoscale of gold nanostructures with and without an underlying gold film. Moreover, a detailed study of the different technological processes helps to understand which steps significantly impact the plasmonic properties of the samples and their performance as a biosensor. Finally, these samples were characterized and validated on a bimodal instrument SPRI-SERS
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Emeric, Ludivine. « Antennes optiques à nanogap alimentées électriquement, interactions entre optique et transport électronique ». Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLS444/document.
Texte intégralRésumé :
La forte exaltation de l’interaction lumière-matière au sein de résonateurs optiques présentant un confinement du champ électromagnétique dans un espace nanométrique ouvre la voie à de nouvelles applications dans l’infrarouge, dans les domaines de l’optique, l’opto-électronique, la chimie ou la biologie.La théorie de l’électromagnétisme prévoit que les résonateurs de type métal-isolant-métal présentent un confinement d’autant plus grand que l’épaisseur de l’isolant est faible. Cependant, pour des épaisseurs de l’ordre du nanom` etre, les électrons ont une probabilité non-négligeable de passer d’une couche métallique à l’autre par effet tunnel. Cet effet quantique qui remet en cause leur description dans la théorie classique, a été mis en évidence et étudié dans différents types de résonateurs optiques à nanogap : entre une pointe AFM et un substrat, entre deux nanoparticules, au sein d’une constriction métallique. . . Dans cette thèse, nous avons utilisé un nanorésonateur MIM qui, par son empilement de couches solides, permet une bonne maîtrise de la géométrie et de son évolution dans le temps. Son objectif est double : accéder de façon quantitativeà la physique mise à l’oeuvre et tester son potentiel applicatif. Des procédés de nanofabrication ont été spécifiquement développés et validés par les caractérisations optiques et électriques des nanorésonateurs. Dans le régime quantique, les spectres mesurés en réflexion ne peuvent pas être interprétés par l’approche largement répandue dans la littérature qui introduit un terme de conduction électrique dans l’isolant. De plus le décalage spectral mesuré sous polarisation électrique est très faible (∆λ/λ ~ 10−3Vapp[V ]) et de signe opposé aux prédictions de la littérature. Ces résultats mettent en lumière des comportements inexpliqués qui ouvrent la voie à de nouvelles recherches sur les résonateurs optiques à nanogapThe great concentration of light-matter interaction inside optical nanoresonators achieving a strong confinement of electromagnetic field in a nanometric space paves the way toward innovative applications in the infrared domain, in optics, optoelectronics, chemistry or biology. Resonators constituted of a stack of metal, insulator and metal allow to achieve stronger confinement for thinner insulator gap. However, in case of a gap thinner than a few nanometers, electrons have anon-negligible probability to pass from a metal to the other by tunneling effect. Questioning electrons description in classical theory, this quantum effect has been highlighted and studied in various kinds of nanogap optical antennas: between an AFM tip and a substrate, between two nanoparticles, inside a metallic constriction. . .In this thesis, we have used a MIM nanoresonator: stacking solid layers allows a good control ofits geometry and its evolution over time. This structure has two roles: accessing quantitatively the underlying physics and testing its potential application. Nanofabrication processes have been specifically developed and validated by optical and electrical characterizations of nanoresonators. In the quantum domain, measured reflectivity spectra cannot be explained by a widespread approach introducing an electrical conduction inside the insulator. Furthermore, the measured shift under an electrical bias is weak (∆λ/λ ~ 10−3Vapp[V ]) and opposite to literature predictions. These results highlight unexplained behaviors and paves the way to new researches about nanogap optical antennas
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Sanchot, Audrey. « Propriétés optiques de nanostructures plasmoniques auto-assemblées : vers la plasmonique moléculaire ». Thesis, Toulouse, INSA, 2011. http://www.theses.fr/2011ISAT0029/document.
Texte intégralRésumé :
Cette thèse s'inscrit dans un projet plus vaste, utilisant les propriétés plasmoniques de systèmes colloïdaux pour développer des guides d’onde à l'échelle submicrométrique. La plasmonique exploite les oscillations collectives des électrons libres à la surface des métaux nobles, excités par une lumière incidente. Les guides d’onde plasmoniques fabriqués par lithographie ont montré un potentiel pour le confinement et le guidage de l'énergie. En revanche, leur polycristallinité induit une dissipation optique. Notre approche consiste à exploiter les plasmons localisés à la surface de nano-objets colloïdaux et monocristallins. Les simulations, au même titre que les expériences, ont confirmé que la structure et l'organisation de ces objets engendraient un confinement et une exaltation du champ proche optique dans leur voisinage. Contrairement aux études en champ lointain, la caractérisation du confinement du champ proche produit par ce type de structures, de faibles tailles, présente plusieurs défis. Dans un premier temps, il est nécessaire de synthétiser les objets. Nous avons choisi d'étudier des particules sphériques d'or assemblées en réseaux de chaînes, puis des nanobâtonnets et des nanoprismes d'or. Le second défi a résidé dans l'organisation et le dépôt des réseaux de chaînes sur un substrat adéquat. Des réseaux étendus monocouches de chaînes monoparticulaires ont été obtenus après dépôt sur un substrat préalablement immergé dans une solution alcaline. Enfin nous avons caractérisé le champ proche optique au voisinage de ces colloïdes. Nous avons appliqué une méthode indirecte : la photomigration moléculaire, pour imager le champ proche optique avec une résolution spatiale latérale d'environ 50 nm. Celle-ci repose sur les propriétés d'un photochrome, qui se déplace sous l'effet d'une excitation lumineuse. Une caractérisation topographique par AFM, avant et après excitation, permet alors de cartographier l'intensité du champ proche. Un déplacement du film, uniquement au niveau des structures et suivant le gradient du champ, a été observé. Nous avons complété cette étude en utilisant deux techniques en "champ lointain", basées sur le balayage "pixel par pixel" d'une "sonde optique virtuelle". La photoluminescence à deux photons (TPL) a mis en évidence la possibilité de confiner ou d'étendre le signal suivant l'organisation des objets. Par ailleurs, l'enregistrement de cartes de température par la technique d'anisotropie de polarisation de fluorescence a démontré l'intérêt des réseaux réticulés de particules, comme sources de chaleur localisées en surfaceThis thesis is part of a larger project which uses plasmonic properties of colloidal systems to develop and conceive new submicron scale waveguides. Plasmonics exploits the collective oscillations of free electrons on noble metal surfaces, excited by incident light. Plasmonic waveguides made by lithography have shown potential for the confinement and guiding of light energy. On the other hand, their polycristallinity induces an optical dissipation that limits the propagation length. Our approach consists in using localized plasmons on colloidal and monocrystalline nano-object deposited on dielectric surfaces. Simulations, as well as experiments, have confirmed that the structure and organization of such objects generate both a confinement and an enhancement of the optical near field intensity in their vicinity. The characterization of the near field confinement near tiny plasmonic self-assembled structures presents several difficulties. First, it was necessary to synthesize objects and assemble them into networks, in coplanar geometry. Extended monolayer networks of monoparticle chains were obtained after deposition on a substrate previously immersed in an alkaline solution. In a second step, we have characterized the optical near-field around the colloids. We have applied molecular photomigration to image the near-field with a 50nm spatial resolution. This phenomenon relies on the molecular movement of photochromic films induced under light excitation. An AFM topographic characterization, before and after illumination, allows then to map the near-field intensity. A film migration, only around the object and along the field gradient, has been observed. Finally, we completed this study by using two "far field" techniques, based on "pixel by pixel" scanning of an "optical virtual probe". The two photons photoluminescence (TPL) has shown the possibility to confine or expand the signal, depending on object organization. The recording of map temperature by fluorescence polarisation anisotropy has demonstrated the interest of particle networks as localised heat sources
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Thomas, Marjorie. « Fluorescence d’une molécule unique au voisinage d’une nanostructure métallique et étude de systèmes résonants pour la plasmonique dans le domaine visible et infrarouge ». Paris 11, 2004. http://www.theses.fr/2004PA112331.
Texte intégralRésumé :
Ce manuscrit s’intéresse à l’interaction lumière/matière mise en jeu dans l’interaction avec des nanostructures métalliques. La première partie est consacrée à l’étude théorique et numérique de l’interaction d’une molécule fluorescente avec une pointe métallique, du type de celles utilisées comme sondes en microscopie optique de champ proche. La thèse montre qu’une approche classique suffit pour étudier les modifications du taux d’émission d’une molécule en présence d’un environnement quelconque. Elle établit que mathématiquement, ceci se traite par le calcul du tenseur de Green (ou susceptibilité du champ électrique) qui contient toute l’information sur l’interaction entre la molécule et son environnement. Pour appréhender de manière simple les phénomènes physiques mis en jeu dans cette interaction, nous avons modélisé la molécule par un dipôle électrique matérialisant le moment dipolaire de la transition fluorescente et considéré dans un premier temps que l’environnement se limitait à une sphère dipolaire. Nous nous sommes attachés à dissocier les phénomènes d’émission des phénomènes d’absorption et avons montré qu’ils peuvent présenter un maxima à des fréquences différentes suivant les cas d’orientation du moment dipolaire de la molécule. Une étude du rendement quantique en fonction de la distance pointe-molécule d’une part et de l’orientation du moment dipolaire d’autre part a permis de mettre en évidence que le système pointe-molécule se comporte comme une nano-antenne. Une étude spectrale indique que le spectre du signal de fluorescence est essentiellement piloté par le spectre du facteur d’amplification. Les diagrammes de rayonnement calculés mettent en évidence l’influence des directions d’éclairement mais aussi de détection sur l’amplification du signal de la pointe. Par ailleurs, il est montré qu’un défaut de surface modifie fortement le comportement spectral de la pointe et influence l’émission de la molécule, ce qui explique et confirme les difficultés rencontrées en optique de champ proche pour rendre une expérience reproductible en utilisant des pointes qui ne sont pas toujours très bien caractérisées. La deuxième partie présente une étude des modes électromagnétiques de chaînes de nanoparticules métalliques en vue du contrôle de la propagation de la lumière à l’échelle sub-longueur d’onde. Une approche analytique puis une étude numérique ont permis de mettre en évidence l’influence des conditions d’éclairement et celle de la nature du substrat sur lequel repose la chaîne de particules métalliques dans la structure des modes. En particulier, l’étude des relations de dispersion du système mettent en évidence des comportements absorbants qui limitent les effets de propagation de la lumièreThe doctoral thesis tackles some of the interesting issues regarding the optics of metallic nanostructures. The first part of the thesis is devoted to the influence of a metallic nanostructure, such as a tip, on the emission properties of a single dipolar emitter. The modification of the radiative and nonradiative lifetimes of a fluorescent molecule in the presence of a metallic nanostructure has been investigated. The current work provides a fast algorithm for calculating the fluorescence lifetime and the emission pattern of a molecule in the vicinity of a nanostructure with arbitrary shape, position and orientation. Indeed, it is shown that the emission pattern is strongly dependent on the orientation of the structure with respect to the molecule and on the shape of the object. Furthermore, it has been shown and emphasized that the choice of wavelength is crucial in this problem. By tuning the absorption and emission wavelengths of the emitter with respect to that of the plasmon resonance of the metallic nanostructure, one can adjust the quantum efficiency of the emitter in the near field of the particle. These findings are particularly important for the optimization and interpretation of current experiments on surface enhanced Raman scattering. The second part of the dissertation turns to the coupling among many metallic nanostructures. This topic has attracted much attention in recent years due to its appeal for applications such as integrated optics. One of the driving forces in this field is to replace conventional waveguides which have widths of several wavelengths by a periodic chain in metallic nanoparticles for guiding light. Although due to a strong absorption of visible light these systems are not suitable for long range transport, the fact that light is confined to lateral dimensions of the order of and below the diffraction limit makes them very interesting. The thesis starts by examining a chain of particles analytically based on a coupled dipole model. Next it moves on to numerical studies where various illumination effects and the role of the substrate under the nanoparticles are investigated. In particular, it investigates the dispersion relations of the system which help identify the optimal spectral window for an efficient propagation of light
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Vandamme, Nicolas. « Nanostructured ultrathin GaAs solar cells ». Thesis, Paris 11, 2015. http://www.theses.fr/2015PA112111/document.
Texte intégralRésumé :
L’amincissement des cellules solaires semi-conductrices est motivé par la réduction des coûts de production et l’augmentation des rendements de conversion. Mais en deçà de quelques centaines de nanomètres, il requiert de nouvelles stratégies de piégeage optique. Nous proposons d’utiliser des concepts de la nanophotonique et de la plasmonique pour absorber la lumière sur une large bande spectrale dans des couches ultrafines de GaAs. Nous concevons et fabriquons pour ce faire des structures multi-résonantes formées de réseaux de nanostructures métalliques. Dans un premier temps, nous montrons qu’il est possible de confiner la lumière dans une couche de 25 nm de GaAs à l’aide d’une nanogrille bidimensionnelle pouvant servir de contact électrique en face avant. Nous analysons numériquement les modes résonants qui conduisent à une absorption moyenne de 80% de la lumière incidente entre 450 nm et 850 nm. Ces résultats sont validés par la fabrication et la caractérisation de super-absorbeurs ultrafins multi-résonants. Dans un second temps, nous appliquons une approche similaire dans le but d’obtenir des cellules photovoltaïques dix fois plus fines que les cellules GaAs records, avec des absorbeurs de 120 nm et 220 nm seulement. Un miroir arrière nanostructuré en argent, associé à des contacts ohmiques localisés, permet d’améliorer l’absorption tout en garantissant une collecte optimale des porteurs photo-générés. Nos calculs montrent que les densités de courant de court-circuit (Jsc) dans ces structures optimisées peuvent atteindre 22.4 mA/cm2 et 26.0 mA/cm2 pour les absorbeurs d’épaisseurs respectives t=120 nm et t=220 nm. Ces performances sont obtenues grâce à l’excitation d’une grande variété de modes résonants (Fabry-Pérot, modes guidés,…). En parallèle, nous avons développé un procédé de fabrication complet de ces cellules utilisant la nano-impression et le transfert des couches actives. Les mesures montrent des Jsc records de 17.5 mA/cm2 (t=120 nm) et 22.8 mA/cm2 (t=220 nm). Ces résultats ouvrent la voie à l’obtention de rendements supérieurs à 20% avec des cellules solaires simple jonction d’épaisseur inférieure à 200 nmThe thickness reduction of solar cells is motivated by the reduction of production costs and the enhancement of conversion efficiencies. However, for thicknesses below a few hundreds of nanometers, new light trapping strategies are required. We propose to introduce nanophotonics and plasmonics concepts to absorb light on a wide spectral range in ultrathin GaAs layers. We conceive and fabricate multi-resonant structures made of arrays of metal nanostructures. First, we design a super-absorber made of a 25 nm-thick GaAs slab transferred on a back metallic mirror with a top metal nanogrid that can serve as an alternative front electrode. We analyze numerically the resonance mechanisms that result in an average light absorption of 80% over the 450nm-850nm spectral range. The results are validated by the fabrication and characterization of these multi-resonant super-absorbers made of ultrathin GaAs. Second, we use a similar strategy for GaAs solar cells with thicknesses 10 times thinner than record single-junction photovoltaic devices. A silver nanostructured back mirror is used to enhance the absorption efficiency by the excitation of various resonant modes (Fabry-Perot, guided modes,…). It is combined with localized ohmic contacts in order to enhance the absorption efficiency and to optimize the collection of photogenerated carriers. According to numerical calculations, the short-circuit current densities (Jsc) can reach 22.4 mA/cm2 and 26.0 mA/cm2 for absorber thicknesses of t=120 nm and t=220 nm, respectively. We have developed a fabrication process based on nano-imprint lithography and on the transfer of the active layers. Measurements exhibit record short-circuit currents up to 17.5 mA/cm2 (t=120 nm) and 22.8 mA/cm2 (t=220 nm). These results pave the way toward conversion efficiencies above 20% with single junction solar cells made of absorbers thinner than 200 nm
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Mou, Ye. « Manipuler l'effet Faraday inverse par l'utilisation de nanostructures plasmoniques inversement conçues ». Electronic Thesis or Diss., Sorbonne université, 2024. https://theses.hal.science/tel-04650863.
Texte intégralRésumé :
L'effet Faraday inverse est un processus magnéto-optique permettant la magnétisation de la matière par une excitation optique porteuse d'un spin non nul de la lumière. Cette interaction lumière-matière dans les métaux à l'échelle nanométrique résulte de la création de courants de dérive via les forces non linéaires que la lumière applique aux électrons de conduction. En particulier, ce phénomène a été considéré jusqu'à présent comme symétrique; les polarisations circulaires droite ou gauche génèrent des champs magnétiques orientés dans la direction de propagation de la lumière ou dans la direction opposée à la propagation. Nous démontrons ici qu'en manipulant localement la densité de spin de la lumière dans des nano-antennes plasmoniques inversement conçues, l'effet Faraday inverse peut être chiral et générer de forts champs magnétiques stationnaires dus aux courants de dérive uniquement pour une hélicité de la lumière entrante; nous démontrons aussi que ce processus magnéto-optique peut avoir sa symétrie inversée, ce qui était considéré comme impossible; et qu'il peut même générer des photocourants de dérive unidirectionnels en tant que nano-source accordable pour un rayonnement THz linéaire. Ce nouveau concept optique de manipulation de l'effet Faraday inverse par des nano-antennes plasmoniques trouve diverses applications dans le contrôle ultrarapide des domaines magnétiques, non seulement dans les technologies de stockage de données ultrarapides, mais aussi dans des domaines de recherche tels que la spectroscopie THz à l'échelle nanométrique, le piégeage magnétique, les skyrmions magnétiques, le dichroïsme circulaire magnétique, la manipulation de matériaux magnétiques, le contrôle du spin, la précession du spin, les courants de spin et les ondes de spin, entre autresThe inverse Faraday effect is a magneto-optical process allowing for the magnetization of matter through optical excitation carrying a non-zero spin of light. This light-matter interaction in metals at the nanoscale arises from the generation of drift currents via the nonlinear forces applied by light to the conduction electrons. Particularly, this phenomenon has been conventionally considered symmetrical; right or left circular polarizations generate magnetic fields oriented either in the direction of light propagation or in the direction opposite to propagation. We demonstrate here that by locally manipulating the spin density of light in inversely designed plasmonic nano-antennas, the inverse Faraday effect can be chiral and generate strong stationary magnetic fields due to drift currents only for one helicity of incoming light; furthermore, we demonstrate that this magneto-optical process can have its symmetry reversed, which was considered impossible; and it can even generate unidirectional drift photocurrents as a tunable nano-source for linear THz radiation. This novel optical concept of manipulating the inverse Faraday effect by plasmonic nano-antennas finds diverse applications in ultrafast control of magnetic domains, not only in ultrafast data storage technologies but also in research areas such as nanoscale THz spectroscopy, magnetic trapping, magnetic skyrmions, magnetic circular dichroism, magnetic material manipulation, spin control, spin precession, spin currents, and spin waves, among others
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Ntsame, Guilengui Vilianne. « Technologie et étude de résonateurs plasmoniques à base d'InAsSb : vers une plasmonique tout semi-conducteur ». Thesis, Montpellier 2, 2013. http://www.theses.fr/2013MON20240/document.
Texte intégralRésumé :
Les plasmons de surface sont des quasi-particules résultant du couplage fort entre l'oscillation collective des porteurs libres d'un métal (plasma) et une onde électromagnétique. Ils sont générés à l'interface entre un métal et un diélectrique. Ils sont étudiés depuis plusieurs années pour leurs propriétés remarquables de confinement du champ électromagnétique à l'interface ou encore d'exaltation de ce même champ. Les plasmons de surface (SPP) sont à la base de la plasmonique, domaine qui exploite leurs propriétés optiques. L'une des caractéristiques principales des SPP est la fréquence plasma. Elle est proportionnelle à la densité de porteurs libres. La majorité des travaux effectués en plasmonique concerne les métaux nobles comme l'or ou l'argent. Cependant, leur utilisation est délicate dans certaines gammes de longueurs d'onde, telle que l'infrarouge, lorsqu'il est nécessaire d'exploiter l'exaltation du champ électrique pour la détection de molécules en biologie. Pour contrôler au mieux cet effet d'exaltation du champ électrique, il est nécessaire d'ajuster la fréquence plasma. Cela impossible pour les métaux nobles qui sont par ailleurs incompatibles avec les procédés actuels de la microélectronique. L'utilisation de semi-conducteurs fortement dopés en plasmonique permet de contourner ces limitations. En changeant le dopage ou le type de semi-conducteur, il est possible de changer la fréquence plasma du matériau et ainsi, d'obtenir des résonances plasmoniques dans le moyen infrarouge. Mon travail de thèse concerne la réalisation et la caractérisation de réseaux plasmoniques à base semi-conducteurs dopés. Les échantillons sont constitués d'une couche d'InAsSb (antimoniure d'arséniure et d'indium) dopée au silicium. Cette couche est déposée par épitaxie par jets moléculaires (MBE) sur un substrat de GaSb (antimoniure de gallium). Dans un premier temps j'ai mis au point un moyen de caractérisation rapide et non destructif du niveau de dopage dans les couches d'InAsSb et donc de la fréquence plasma, basé sur la réflectivité en angle. Un modèle théorique basé sur le mode de Brewster m'a permis d'expliquer les résultats expérimentaux. J'ai ensuite mis au point les étapes technologiques permettant de réaliser les rubans d'InAsSb. Elles sont basées sur de la lithographie interférentielle, la gravure chimique humide et la gravure sèche par plasma. En modifiant les dimensions du réseau, j'ai démontré la possibilité de contrôler les propriétés optiques des résonateurs plasmoniques. Enfin, nous avons fabriqué des réseaux d'InAsSb enterrés, en procédant à une reprise d'épitaxie par MBE d'une couche de GaSb sur le réseau InAsSb. Nous arrivons ainsi à planariser la structure en conservant sa cristallinité. J'ai donc démontré qu'il était possible d'intégrer des structures plasmoniques à des composants photoniques opérant dans l'infrarouge en utilisant seulement des semi-conducteurs. La voie est ouverte pour le développement d'une plasmonique infrarouge tout-semi-conducteurs. Mon travail de thèse est pionnier dans ce domaineSurface plasmons polaritons (SPP) are quasi-particles resulting from the strong coupling between the collective oscillations of free carriers in a metal and an electromagnetic wave. They are generated at the interface between a metal and a dielectric. They are studied in detail for several years for their outstanding properties of electromagnetic field confinement at the interface or of filed exaltation. SPP are the building blocks of plasmonics, the area that exploit their optical properties. One of the main characteristics of the SPP is the plasma frequency which is proportional to the density of free carriers. Plasmonics is essentially based on noble metals like gold or silver. However, noble metals are difficult to use in certain ranges of wavelengths, such as infrared, to exploit the electric field exaltation for the detection of molecules in biology. To improve the control of this electric field exaltation, it is necessary to adjust the plasma frequency. It impossible with noble metals that are otherwise incompatible with current microelectronics processes. To overcome these limitations we propose to use heavily doped semiconductors. By changing the doping or the type of the semiconductor, it is possible to change the plasma frequency and thus obtain plasmonic resonances in the mid-infrared. My work deals with the realization and the characterization of doped semiconductors plasmonic gratings. The samples consist of an InAsSb (indium, arsenide, antimonide) layer doped with silicon. This layer is deposited by molecular beam epitaxy (MBE) on a GaSb substrate (gallium antimonide). I have developed an experimental technique based angular dependent reflectivity of rapid and non-destructive characterization of the doping level in the InAsSb layers and thus the plasma frequency. A theoretical model based on Brewster modes allowed explaining the experimental results. I then developed a technological process to achieve the InAsSb gratings. They are based on interference lithography, chemical wet etching and dry plasma etching. By changing the size of the grating, I have demonstrated the ability to control the optical properties of plasmonic resonators. Finally, we have made of InAsSb grating buried into a GaSb layer, using a regrowth by MBE technique. The structure is planarized with a good crystallinity. So it is possible to integrate plasmonic resonators nearby photonic compounds operating in the infrared using only semiconductors. We pave the way for the development of all-semiconductor infrared plasmonics. My thesis is a pioneer work in this field
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Mailhes, Romain. « Effets plasmoniques induits par des nanostructures d’argent sur des couches minces de silicium ». Thesis, Lyon, 2016. http://www.theses.fr/2016LYSEI097/document.
Texte intégralRésumé :
Le domaine du photovoltaïque en couches minces s’attache à réduire le coût de l’énergie photovoltaïque, en réduisant considérablement la quantité de matières premières utilisées. Dans le cas du silicium cristallin en couches minces, la réduction de l’épaisseur de la cellule s’accompagne d’une baisse drastique de l’absorption, notamment pour les plus fortes longueurs d’onde. Nombreuses sont les techniques aujourd’hui mises en œuvre pour lutter contre cette baisse de performance, dont l’utilisation des effets plasmoniques induits par des nanostructures métalliques qui permettent un piégeage de la lumière accru dans la couche absorbante. Dans ces travaux, nous étudions l’influence de nanostructures d’argent organisées suivant un réseau périodique sur l’absorption d’une couche de silicium. Ces travaux s’articulent autour de deux axes majeurs. L’influence de ces effets plasmoniques sur l’absorption est d’abord mise en évidence à travers différentes simulations numériques réalisées par la méthode FDTD. Nous étudions ainsi les cas de réseaux périodiques finis et infinis de nanostructures d’argent situés sur la face arrière d’une couche mince de silicium. En variant les paramètres du réseau, nous montrons que l’absorption au sein du silicium peut être améliorée dans le proche infrarouge, sur une large plage de longueurs d’onde. Le second volet de la thèse concerne la réalisation des structures modélisées. Pour cela, deux voies de fabrication ont été explorées et développées. Pour chacune d’entre elles, trois briques élémentaires ont été identifiées : (i) définition du futur motif du réseau grâce à un masque, (ii) réalisation de pores dans le silicium et (iii) remplissage des pores par de l’argent pour former le réseau métallique. La première voie de fabrication développée fait appel à un masque d’alumine, réalisé par l’anodisation électrochimique d’une couche d’aluminium, pour définir les dimensions du réseau métallique. Une gravure chimique assistée par un métal est ensuite utilisée pour former les pores, qui seront alors comblés grâce à des dépôts d’argent par voie humide. La seconde voie de fabrication utilise un masque réalisé par lithographie holographique, une gravure des pores par RIE et un remplissage des pores par dépôt d’argent electroless. Les substrats plasmoniques fabriqués sont caractérisés optiquement, au moyen d’une sphère intégrante, par des mesures de transmission, réflexion et absorption. Pour tous les substrats plasmoniques caractérisés, les mesures optiques montrent une baisse de la réflexion et de la transmission et une hausse de l’absorption pour les plus grandes longueurs d’ondeThin-film photovoltaics focus on lowering the cost reduction of photovoltaic energy through the significant reduction of raw materials used. In the case of thin-films crystalline silicon, the reduction of the thickness of the cell is linked to a drastic decrease of the absorption, particularly for the higher wavelengths. This decrease of the absorption can be fought through the use of several different light trapping methods, and the use of plasmonic effects induced by metallic nanostructures is one of them. In this work, we study the influence of a periodic array of silver nanostructures on the absorption of a silicon layer. This work is decomposed into two main axes. First, the influence of the plasmonic effects on the silicon absorption is highlighted through different numerical simulations performed by the FDTD method. Both finite and infinite arrays of silver nanostructures, located at the rear side of a thin silicon layer, are studied. By varying the parameters of the array, we show that the silicon absorption can be improved in the near infrared spectral region, over a wide range of wavelengths. The second part of the thesis is dedicated to the fabrication of such modeled structures. Two different approaches have been explored and developed inside the lab. For each of these two strategies, three major building blocks have been identified: (i) definition of the future array pattern through a mask, (ii) etching of the pattern in the silicon layer and (iii) filling of the pores with silver in order to form the metallic array of nanostructures. In the first fabrication method, an anodic alumina mask, produced by the electrochemical anodization of an aluminium layer, is used in order to define the dimensions of the metallic array. A metal assisted chemical etching is then performed to produce the pores inside the silicon, which will then be filled with silver through a wet chemical process. The second fabrication method developed involves the use of holographic lithography to produce the mask, the pores in silicon are formed by reactive ion etching and they are filled during an electroless silver deposition step. The fabricated plasmonic substrates are optically characterized using an integrating sphere, and transmission, reflection and absorption are measured. All the characterized plasmonic substrates shown a decrease of their reflection and transmission and an absorption enhancement at the largest wavelengths
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Laluet, Jean-Yves. « Éléments de plasmonique ». Strasbourg, 2009. https://publication-theses.unistra.fr/public/theses_doctorat/2009/LALUET_Jean-Yves_2009.pdf.
Texte intégralRésumé :
C'est à la croisée des besoins de miniaturisation de l'optique et de l'avènement des nouvelles technologies que l'optique à base de plasmons de surface (PS) se développe. Le travail présenté dans cette thèse a eu pour but de développer différentes structures et approches pour générer, contrôler et détecter les PS avec l'idée de composer des circuits photoniques hybrides au sein desquels un signal optique est converti en signal plasmonique, manipulé puis reconverti. Les réseaux métalliques de trous sublongueur d’onde, qui ont suscité un vif intérêt suite à la découverte du phénomène de transmission exaltée de la lumière, peuvent également être utilisés comme sources locales de PS. Nous montrons à l’aide d’une modélisation simple et de mesures de champ proche optique comment obtenir des faisceaux PS de grande qualité optique. Des configurations de sources à faisceaux multiples ou unique sont ensuite proposées, et la question de la taille optimale de la structure est traitée. Parallèlement, la question de l'efficacité du couplage de la lumière aux PS est étudiée. Cette étude est menée sur des fentes uniques sublongueur d'onde en analysant les images enregistrées dans le plan Fourier d'un microscope optique à champ de fuite. Une modélisation basée sur une interférence de type Fano permet d'extraire la valeur de l'efficacité de couplage et montre l'existence d’une taille de fente optimale. Enfin, des optiques réfractives sont développées pour contrôler la propagation des PS. Les prismes et lentilles à PS réalisés permettent de dévier et de concentrer le flux plasmonique. Des milieux à gradients d’indice sont aussi obtenus par un contrôle précis des outils de nanofabricationThere is a wide range of applications that could take advantage of the high field and confinement of surface plasmons (SPs). Among these, the ongoing research efforts for the implementation of SP based devices into practical photonic networks are motivated by the nature of the surface wave: miniature SP circuits can combine the compactness of an electronic circuit with the bandwidth of a photonic network. In order to implement this idea, components that are able to launch, control, and detect SPs have to be developped. The aim of the work presented here was to investigate possible approaches for these 3 topics. In addition to the work targeting circuits, some of these results are of practical interest for the design of SP standalone devices that can have strong potentialities for the definition of new optical functionalities. Periodic arrays of subwavelength holes can be used as SP sources. We show how high quality SP beams can be launched. Multiple beams as well as single beam output configurations are proposed, and the issue of an optimal source size is addressed. Beyond the adjustability of the beam profile, we also study the coupling efficiency of light to SP at the level of a single subwavelength slit source. Fano-type interference analysis is carried out in the Fourier plane of the leakage radiation microscope used for measurements in order to quantify the SP generation strength. An optimum source size is found. The next logical step is to get control over propagating SPs. Refractive optics analogous to classical optical components (prism, lens) as well as gradient index media for SPs are developed. They allow to steer and focus the plasmonic flux
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Zakharko, Yuriy. « Initial and plasmon-enhanced optical properties of nanostructured silicon carbide ». Phd thesis, INSA de Lyon, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00815382.
Texte intégralRésumé :
Nanostructured silicon carbide (SiC) is considered today as a good alternative to the conventional materials for various multidisciplinary applications. In this thesis, SiC nanostructures were elaborated by means of electrochemical etching and laser ablation techniques. The first part of the thesis clarifies size-dependence of optical properties as well as importance of local-field effects onto the photoinduced electronic transitions of SiC nanostructures. In the second part of the thesis strong 15-fold photoluminescence enhancement of SiC nanoparticles is ensured by their near-field interactions with multipolar localized plasmons. Further, 287-fold and 72-fold plasmon-induced enhancement factors of two-photon excited luminescence and second harmonic generation is achieved, respectively. The main physical mechanisms responsible for the observed effects were described by three-dimensional finite-difference time domain simulations. Finally, the coupling effect of luminescent SiC nanoparticles to plasmonic nanostructures is used in the enhanced labelling of biological cells on the planar structures. As a perspective, colloidal plasmonic (Au@SiO2)SiC nanohybrids were elaborated and characterized.
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Loiselet, Ophelliam. « Synthèse et caractérisation d’agrégats bimétalliques pour la magnéto-plasmonique ». Thesis, Lyon, 2018. http://www.theses.fr/2018LYSE1033/document.
Texte intégralRésumé :
Depuis plusieurs années les physiciens de la matière condensée s'intéressent aux propriétés optiques et magnétiques des nanoparticules métalliques. Deux propriétés restent largement étudiées : les résonances plasmon localisées et l'anisotropie magnétique à l'échelle nanométrique. Ces deux effets résultant de propriétés électroniques bien différentes sont habituellement rencontrés dans des nanosystèmes distincts. Depuis les années 2000 des études ont montré qu'il était possible de bénéficier de ces deux caractéristiques dans un seul et même système nanométrique. Dans cette thèse, nous nous intéresserons à la combinaison des propriétés magnétiques et plasmoniques dans des systèmes de taille inférieure à la dizaine de nanomètres: les agrégats bimétalliques de CoAg et de CoAu synthétisés par voie physique sous ultravide encapsulés en matrice (alumine et carbone). Nous nous intéresserons à la structure de ces agrégats bimétalliques de différentes stœchiométries et à l'effet de leur environnement à travers l'étude de leurs propriétés optiques, magnétiques et électroniques (par spectroscopie électronique par perte d'énergie (EELS) sur des particules individuelles). Nous montrerons l'effet de la matrice, carbone ou alumine, sur la structure des agrégats ainsi que sur leurs propriétés magnétiques (moment par agrégat, anisotropie). En optique nous verrons également l'importance de la stœchiométrie entre métal noble et cobalt sur les phénomènes d'amortissement et de décalage de résonance plasmon. Enfin nous montrerons la répartition spatiale des plasmons de surface sur des particules unique par des mesures de STEM-EELSFor several years condensed matter physicists have been interested in the optical and magnetic properties of metallic nanoparticles. Two properties remain largely studied: localized plasmon resonances and magnetic anisotropy at the nanoscale. These two effects resulting from very different electronic properties which are usually encountered in separate nanosystems. Since the 2000's, studies have shown that it is possible to benefit from these two characteristics in a single nanometric system. In this thesis, we will focus on the combination of magnetic and plasmonic properties in systems of size less than ten nanometers: bimetallic clusters of CoAg and CoAu synthesized physically under ultrahigh vacuum and embedded in a matrix (alumina and carbon). We will study the structure of these bimetallic clusters of different stoichiometries and the effect of their environment through the investigation of their optical, magnetic and electronic properties (by electron energy loss spectroscopy (EELS) on individual particles ). We will show the effect of the matrix, carbon or alumina, on the structure of the clusters as well as on their magnetic properties (moment by cluster, anisotropy). In optics we will also see the importance of stoichiometry between noble metal and cobalt on the phenomena of the damping and shifting of the plasmon resonance. Finally we will show the spatial distribution of surface plasmons on single particles by STEM-EELS measurements
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Lermusiaux, Laurent. « Nanostructures plasmoniques dynamiques assemblées sur ADN ». Thesis, Paris 6, 2015. http://www.theses.fr/2015PA066007/document.
Texte intégralRésumé :
Nous montrons comment des dimères de nanoparticules d'or, assemblés sur un brin d'ADN unique présentant un site de reconnaissance spécifique, fournissent une réponse optique macroscopique dépendant de leur environnement chimiqueLa séparation électrophorétique nous permet de préparer des suspensions purifiées de dimères de nanoparticules d'or de diamètre allant de 8 à 60 nm, et possédant différentes chimies de surface, avec une pureté pouvant atteindre 90%. L'échafaudage d'ADN contient une structure tige-boucle permettant de modifier réversiblement la structure du dimère en présence d'un brin d'ADN cible. Les distances interparticules (D), estimées en TEM cryogénique, peuvent varier de façon réversible jusqu'à un facteur 3 pour des sphères d'or de 8 nm de diamètre.Afin de traduire le changement conformationnel de l'échafaudage d'ADN en un signal optique mesurable, nous mesurons les spectres de diffusion de dimères uniques de nanoparticules d'or de 40 ou 60 nm de diamètre, en chambre microfluidique.Nous avons pu, en augmentant la concentration saline locale, diminuer progressivement D à l'échelle nanométrique, de 20 à 1 nm, ce qui se traduit par un décalage spectral de la résonance vers le rouge. La bonne corrélation entre les réponses spectrales de dimères uniques, estimées avec un spectromètre ou une caméra CCD couleur, nous permet de démontrer une méthode de détection en champ large et à bas coût, de la déformation nanométrique de ces nanostructures. L'utilisation de ligands amphiphiles nous a permis d'optimiser la stabilité colloïdale des dimères de particules d'or pour minimiser leur sensibilité à la force ionique locale et aux changements de températureWe demonstrate how gold nanoparticle dimers assembled around a single DNA template exhibiting a specific recognition site, provide a macroscopic optical signal depending on their chemical environment. Electrophoresis enables us to produce purified suspensions of gold nanoparticle dimers, with particle diameters ranging from 8 to 60 nm, with different surface chemistries and sample purities as high as 90%. The DNA template features a hairpin loop in order to switch its shape reversibly when binding a target DNA strand. Interparticle distances are estimated using cryo-electron microscopy and indicate a reversible change of the surface-to-surface distance by a factor of 3 in the case of 8 nm diameter gold particles. In order to translate the dynamic switching of a single DNA scaffold in a measurable optical signal, we study the scattering cross-sections of single 40 nm or 60 nm diameter gold nanoparticle dimers, in microfluidic conditions. We are able to progressively decrease the interparticle distance, at the nanometer scale, by increasing the local salt concentration. This deformation results in a spectral shift of the resonance (up to 100 nm) corresponding to a decrease of the interparticle distance from 20 to 1 nm. Moreover, the good correlation between the spectral responses of individual dimers, estimated using a spectrometer or a CCD color camera, enables us to demonstrate a wide-field low-cost detection method of the nanometric deformation of these nanostructures. Using amphiphilic ligands enables us to optimize the colloidal stability of gold nanoparticle dimers in order to minimize their sensitivity to the local ionic strength and temperature changes
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Marty, Renaud. « Réponse optique de nanostructures plasmoniques complexes ». Toulouse 3, 2011. http://thesesups.ups-tlse.fr/1502/.
Texte intégralRésumé :
Ce travail de thèse a porté sur l'étude de l'interaction entre une onde électromagnétique et des nanostructures plasmoniques complexes ou hybrides à différentes échelles d'espace et de temps. D'un point de vue théorique, nous nous sommes intéressés à la réponse optique de nanostructures de métaux nobles caractérisée par des résonances plasmon de surface (RPS). Nous avons montré que les interactions entre nanostructures plasmoniques modifient la localisation et l'exaltation de l'intensité et se traduisent par un décalage spectral des RPS. Nous avons alors calculé la densité de charges et identifié les modes multipolaires excités. Ensuite, nous avons utilisé les variations du champ électrique à proximité de nanostructures plasmoniques pour modifier la durée de vie, l'intensité de fluorescence ainsi que la statistique de photons de centres émetteurs. En particulier, nous avons montré que le temps moyen entre l'émission de deux photons consécutifs par un fluorophore pouvait être contrôlé. Parallèlement à ces calculs, les propriétés optiques de nanostructures plasmoniques individuelles ont été étudiées expérimentalement. Nous avons caractérisé leurs RPS en champ lointain par des mesures d'extinction. La topographie du champ électrique à leur voisinage a été réalisée par la spectroscopie de photoluminescence à deux photons. La dynamique temporelle de nanostructures lithographiées d'or a finalement été étudiée en spectroscopie femtoseconde. La forte sensibilité de la position de la RPS à la forme et à la taille des objets nous a permis de détecter les modes de vibration acoustique et de mettre en évidence l'effet de l'environnement sur l'amortissement de ces vibrationsThe interaction between an electromagnetic field and complex plasmonic nanostructures has been studied at different scales of space and time. From a theoretical point of view, the optical response of noble metal nanostructures characterized by surface plasmon resonances (SPR) has been investigated. Through various examples, we have shown that electromagnetic interactions between plasmonic nanostructures change both the distribution and the exaltation of the intensity and result in a redshift of the SPR. We have then calculated the induced charge density and we have identified the multipolar modes excited. Besides, we have used the peculiar distribution of the electric field near plasmonic nanostructures to change the lifetime, the fluorescence intensity and the photon statistics of an emitter. In particular, we have demonstrated that the average time between the emission of two consecutive photons by an isolated fluorophore can be controlled by changing its environment. In addition, the optical properties of individual plasmonic nanostructures have been studied experimentally. We have characterized their SPR in the far-field by measurements of extinction. The topography of the electric field in their vicinity has been carried out by two-photon photoluminescence. The vibrational dynamics of gold nanostructures has finally been studied by femtosecond spectroscopy. The high sensitivity of the position of the SPR to the shape and size of objects has allowed us to detect acoustic vibration modes and evidenced the effect of environment on their damping
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Moknache, Amazir. « Contribution au calcul de nanostructures plasmoniques terahertz ». Paris 6, 2013. http://www.theses.fr/2013PA066132.
Texte intégralRésumé :
L'émergence des nanotechnologies rend aujourd'hui possible l'utilisation et l'exploitation de phénomènes de surface insuffisamment traitées à ce jour. En effet, le passage de l'échelle microscopique à l'échelle " nanoscopique " privilégie fortement les effets de surface sur les effets de volume et présente, à ce titre, un avantage pour les dispositifs opérant dans la gamme des longueurs d'ondes optiques, où siègent des résonances collectives d'électrons ou plasmons de surface. L'extension vers les THz de ces phénomènes fait aujourd'hui l'objet de nombreux travaux et peut se révéler intéressante pour différentes applications requérant de la compacité et de la haute résolution spatiale, comme l'imagerie, la biologie. Pour élaborer les schémas directeurs des solutions innovantes induites par l'exploitation des plasmons de surface dans le domaine des THz, un premier travail de modélisation et de simulation de structures simples est conduit, d'abord dans le domaine optique. Les matériaux considérés sont alors l'or, l'argent ou l'aluminium et sont déposés en fines couches de quelques dizaines de nanomètres sur des substrats donnés. L'étude de plasmons de surface dans le domaine des THz est entreprise ensuite en considérant soit des matériaux conducteurs déposés en couches ultra minces, soit des surfaces métalliques nanostructurées présentant des motifs et des géométries données. Nous avons dans ce cas mis au point une méthode d'analyse et de synthèse qui peut déterminer toutes les conditions requises pour générer des plasmons THz sur des surface "faciles" à usinerThe emergence of nanotechnology today makes possible the use and operation of surface phenomena inadequately treated to date. Indeed, the transition from the microscopic scale to the nano scale strongly favors surface effects on the effects of volume and has an advantage for devices operating in the range of optical wavelengths , classical field of surface plasmon. The extension to the THz of these phenomena is now the subject of numerous studies and may be useful for various applications requiring compactness and high spatial resolution, such as imaging, biology. To develop innovative solutions induced by the use of surface plasmons in the THz field, an initial modeling and simulation of simple structures is conducted, first in the optical domain. The materials considered are then the gold, silver or aluminum, and are deposited in thin layers of a few tens of nanometers on the given substrates. The study of surface plasmons in the THz field is then attempted with conductive material which is deposited in ultra thin layers or with nanostructured metal surfaces with patterns and givien geometries. In this case we have developed a method of analysis and synthesis that can determine all the conditions required to generate THz plasmons on surface "easy" to machine
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Olivéro, Aurore. « Développement d'un instrument plasmonique bimodal couplant SPRI et SERS pour la détection et l'identification de molécules biologiques ». Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLO017/document.
Texte intégralRésumé :
L’imagerie par Résonance des Plasmons de Surface (SPRI) est une technique d’analyse d’interactions moléculaires présentant de nombreux avantages. Elle peut être appliquée en temps réel et sans marquage, pour étudier un grand nombre d’interactions simultanément sur un même échantillon. La transduction d’un événement d‘interaction entre deux molécules complémentaires en un signal optique, repose sur la perturbation de l’onde plasmonique évanescente créée à la surface d’un film métallique mince.Toutefois, bien que la mesure SPR soit directe et sans marquage, sa spécificité repose entièrement sur celle des molécules sondes déposées à la surface de la puce et donc sur la chimie ayant servi à les immobiliser. Cette limitation devient problématique pour adresser les grands enjeux de santé actuels, liés à la détection de molécules à l’état de traces. En particulier, de nouveaux systèmes d’analyse plus sensibles sont requis pour pouvoir diagnostiquer le cancer au plus tôt, ou encore détecter la présence de contaminants agro-alimentaires en faible concentration.Dans cette perspective d’amélioration de la spécificité de détection, ce travail porte sur la mise au point d’un instrument bimodal couplant la SPRI, capable de quantifier la capture de molécules cibles, à la Spectrométrie Raman Exaltée de Surface (SERS), qui permet d’identifier la nature des molécules capturées en déterminant leur « empreinte » moléculaire. Cette thèse s’inscrit dans un projet ANR regroupant un consortium de partenaires académiques et un industriel.Ce document se concentre sur le développement de l’instrument optique combinant les deux systèmes de détection en un seul prototype. La mesure SPRI est réalisée en configuration Kretschmann, tandis que l’analyse SERS s’effectue par le dessus, en milieu liquide, à travers un hublot. Ces deux mesures simultanées sont rendues possibles grâce à la mise au point d’un substrat métallique nanostructuré. Une caractérisation détaillée du système optique est tout d’abord présentée, puis de premiers résultats de validation de la mesure bimodale sur un cas modèle d’interaction biomoléculaire ADN sont démontrés. Ces expériences prometteuses confirment le fonctionnement de l’instrument bimodal dans la perspective d’applications d’intérêt biologiqueSurface Plasmon Resonance Imaging (SPRI) is a powerful technique to study molecular interactions providing a real time, label free and high throughput analysis. The transduction of an interaction between complementary molecules into an optical signal is based on the perturbation of a plasmonic evanescent wave supported by a thin metallic film.However, despite its direct and label free assets, the specificity of SPR measurements is only guaranteed by the probe molecules grafted on the metallic surface and therefore by the quality of the surface chemistry. This limitation becomes an issue when addressing major health concerns relying on the detection of trace molecules. In particular, new systems are required to help early diagnosis and the control of food contaminants.In view of improving measurement’s specificity, this work reports the development of a bimodal instrument coupling SPRI, allowing the quantification of captured molecules, with Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS), adding the precise identification of the molecules by measuring their spectroscopic fingerprint. This PhD is part of an ANR project bringing together academic and industrial partners.This manuscript focuses on the development of the optical instrument combining the two detection systems in a unique prototype. SPRI measurements are performed in the Kretschmann configuration while SERS analysis is implemented from the top, in solution, through a glass window. Nanostructured substrates have been designed and realized to allow the simultaneous experiment.The optical system is described, characterized and validated on the model case of a DNA hybridization. These first results prove the capabilities of the bimodal instrument in the perspective of more complex biological applications
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Ung, Thi phuong lien. « Control disorder for electromagnetic localization in plasmonic devices for nanophotonic application ». Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018SACLV013/document.
Texte intégralRésumé :
Les nanostructures métalliques permettent de confiner la lumière à des échelles sub-longueur d’onde grâce à l'excitation de plasmons de surface. Elles ouvrent la voie à de nombreuses applications que ce soit en imagerie, en élaboration de composants photoniques ou en information quantique. Cette thèse porte sur l’étude de nanostructures métalliques, semi-continues ou constituées par des réseaux de trous au désordre contrôlé, et à leur interaction avec des nanocristaux semi-conducteurs colloïdaux particulièrement photostables. En associant plusieurs approches expérimentales complémentaires (spectroscopie en champ lointain, microscopie de champ proche optique, microscopie avec une sonde active de champ proche, caractérisation par microscopie confocale de l’émission de nanocristaux couplés aux surfaces métalliques), nous avons pu mettre en évidence les caractéristiques spécifiques des modes plasmons de ces différentes structures. Pour les réseaux au désordre contrôlé, nous avons en particulier analysé l’apparition progressive de modes localisés intenses et déterminé l’influence de paramètres tels que l’épaisseur de la couche d’or, le diamètre des trous ou la périodicité initiale du réseau. Les résultats expérimentaux obtenus se sont révélés en très bon accord avec les simulations numériques réalisées par FDTDMetallic nanostructures allow to confine light at subwavelength scales by the excitation of surface plasmon. They open the way for many applications in imaging, photonic components development and quantum information. This thesis deals with the study of metallic nanostructures, semi-continuous or based on holes gratings with a controlled disorder, and their interaction with colloidal semiconductor nanocrystals that are very photostable. Combining several complementary experimental approaches (far-field spectroscopy, near-field optical microscopy, near-field active probe microscopy, characterization by confocal microscopy of the emission of nanocrystals coupled to the metallic surfaces), we were able to highlight specific characteristics of the plasmon modes of these different structures. For the gratings with a controlled disorder, we have in particular analyzed the emergence of intense localized modes and determined the influence of parameters such as the thickness of the gold layer, the diameter of the holes or the initial periodicity of the grating. The experimental results are in very good agreement with the numerical simulations carried out by FDTD
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Belacel, Cherif. « Emission de nanocristaux semi-conducteurs dans une antenne patch plasmonique ». Paris 6, 2013. http://www.theses.fr/2013PA066715.
Texte intégralRésumé :
Nous démontrons expérimentalement le contrôle du taux d’émission spontanée ainsi que le diagramme de rayonnement de nanoémetteurs positionnés de façon déterministe dans une antenne patch plasmonique proposée par l’équipe de J. J. Greffet de l’Institut d’Optique. Les nanoémetteurs utilisés sont des nanocristaux colloïdaux en CdSe/CdS émettant dans la gamme de longueur d’onde du visible à température ambiante. L’antenne patch est composée d’un disque d’or fin placé à 30 nm au dessus d’une surface d’or épaisse. Cette structure permet de confiner très fortement le champ électromagnétique dans les trois directions de l’espace. En plaçant un émetteur au centre de l’antenne, l’émission peut être accélérée d’un facteur atteignant 180 pour un disque de 160nm diamètre par effet Purcell. Afin de réaliser ces antennes, nous utilisons la méthode de lithographie in-situ développée par l’équipe de P. Senellart au LPN. Cette méthode consiste à d’abord repérer un émetteur par photoluminescence avec une précision de l’ordre de 25nm, puis, dessiner la structure photonique ou plasmonique au tour de l’émetteur grâce à un laser. Nous montrons que l’émission des nanocristaux se fait sur l’ensemble de la surface des antennes patchs avec un diagramme de rayonnement vertical et très directif. Une forte accélération du taux d’émission spontanée est observée et dépend du diamètre de l’antenne. En considérons la structure du double dipôle des nanocristaux, le facteur de Purcell atteint 80 pour un dipôle vertical au disque d’or. Par ailleurs, nous avons développé une méthode de lithographie permettant de réaliser des antennes patchs plasmoniques couplés à des émetteurs individuels par gravure laser directeIn this thesis, we experimentally demonstrate the control of the spontaneous emission rate and the radiation pattern of colloidal quantum dots deterministically positioned in a plasmonic patch antenna proposed by the J. J. Greffet’s team at IOGS laboratory. The nano-emitters used here are CdSe/CdS colloidal nanocrystals emitting in the visible wavelengths at room temperature. The antenna consists of a thin gold microdisk 30 nm above a thick gold layer. This structure confines the electromagnetic field in a small volume allowing reaching a Purcell factor up to 180 for a diameter of 160nm. These antennas are made by in-situ lithography technique developed by P. Senellart at LPN laboratory (Marcoussis). This technique consists in centering on the quantum emitter by maximizing the photoluminescence signal detection with 25nm accuracy, then, the photonic or a plasmonic structure is drawn with a laser. The emitters are shown to radiate through the entire patch antenna in a highly directional and vertical radiation pattern. Strong acceleration of spontaneous emission is observed, depending of the antenna size. Considering the double dipole structure of the emitters, this corresponds to a Purcell factor up to 80 for dipoles perpendicular to the disk. We also developed in this thesis, an in-situ lithography technique that allows the coupling of the optical patch antenna to a single nanocrystal
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Suck, Sarah. « Holographie hétérodyne numérique pour l'étude des nanostructures plasmoniques ». Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00659821.
Texte intégralRésumé :
Dans cette thèse, nous étudions les caractéristiques de diffusion de nanostructures plas- moniques tout en adaptant et améliorant l'holographie hétérodyne numérique, qui est une technique d'imagerie plein champ pour mesurer en trois dimensions le diagramme de rayonnement. En outre, nous avons effectué de nombreuses mesures spectroscopiques pour enregistrer les spectres de diffusion de nanoobjets uniques. Afin d'obtenir une com- préhension plus profonde des caractéristiques du champ diffusé que nous mesurons, nous avons développé un modèle numérique basé sur la méthode des éléments finis. Ce modèle nous a permis de simuler le champ proche et le champ lointain d'une nanostructure avec une onde incidente en réflexion ou en transmission. Nous obtenons un excellent accord entre nos résultats expérimentaux et calculés. Dans cette thèse, nous avons étudié de nombreux nanostructures d'or fabriquées sur du verre par lithographie électronique. Des structures simples nous ont permis de valider la technique. Des objets plus sophistiques nous ont ensuite permis de constater que leur di- agramme de diffusion est extrêmement sensible aux facteurs externes et internes, tels que la polarisation et la longueur d'onde de la lumière incidente ou la géométrie de la struc- ture et sa longueur d'onde de résonance. En outre, nous montrons que la technique de l'holographie hétérodyne photothermique mesure directement l'augmentation de la tem- pérature, et ainsi, se présente comme une nouvelle méthode pour étudier la distribution de la chaleur dans des nanostructures plasmoniques.
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Kessentini, Sameh. « Modélisation et optimisation de nanostructures plasmoniques : applications biomédicales ». Troyes, 2012. http://www.theses.fr/2012TROY0024.
Texte intégralRésumé :
Cette thèse porte sur la modélisation et l’optimisation des structures plasmoniques : les biocapteurs nanostructurés dédiés à un diagnostic précoce de maladie et les nanoparticules utilisées en thérapie photothermique. Le mode opératoire de ces structures se base sur l’interaction avec la lumière. Pour les modéliser, le problème de diffusion électromagnétique est résolu en utilisant la théorie de Mie ou l’approximation discrétisation de dipôles. Le modèle numérique a été développé pour décrire l’effet de plusieurs paramètres des biocapteurs. Ensuite, le modèle est validé par comparaison à des résultats expérimentaux. Pour l’optimisation de ce type de problèmes à variables continues, l’optimisation par essaims particulaires est choisie. Certaines faiblesses des algorithmes ont été décryptées en introduisant un jeu d’essai plasmonique et des développements algorithmiques ont été proposés et validées sur un jeu d’essai de référence et celui plasmonique. L’optimisation du biocapteur montre que sa sensibilité (donnée par le gain en spectroscopie Raman) peut être augmentée de six fois par rapport au meilleur résultat expérimental. L’optimisation des nanoparticules (maximisation de leur absorption de la lumière) donne aussi des résultats nettement meilleurs que ceux reportés en littérature. De plus ces nanoparticules optimisées sont comparées entre elles. Enfin, la tolérance de la conception des structures optimisées est discutéeThe present work deals with the modelling and optimization of the plasmonic structures: nanostructured biosensor for early disease diagnosis, and gold nanoparticles for photothermal therapy. Both structures are based on interaction with light. For modelling, the electromagnetic scattering problem is therefore solved using Mie theory and discrete dipole approximation (DDA). The numerical model is extended to take into account many parameters of biosensors. Then, the validity of the model is checked through comparison to experimental results. To optimize such problems of continuous variables, the particle swarm optimisation (PSO) is chosen. A plasmonic benchmark is introduced to test a set of algorithms and reveals some limitations. For this, we introduce a new memetic adaptive PSO (AMPSO) algorithm. The AMPSO is tested on a set of reference benchmark as well as the plasmonic benchmark and demonstrates its ability to find the global optimum solution rapidly. The optimization of biosensor shows that its sensitivity (given by the surface enhanced Raman spectroscopy gain) can be improved six times compared with the best experimental results. The optimization of nanoparticules (maximization of light absorption) reveals, as well, improved results compared to previous studies. Moreover, the optimized nanoparticles are compared to each other. Finally, the design tolerance of these nanostructures is also discussed
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Bresson, Paul. « Étude des phénomènes thermiques ultrarapides dans les nanostructures plasmoniques ». Thesis, université Paris-Saclay, 2020. http://www.theses.fr/2020UPAST005.
Texte intégralRésumé :
La thermoplasmonique est une branche de la plasmonique exploitant les phénomènes thermiques dans des structures métalliques. Longtemps regardées comme problématique, les pertes par effet Joule dues à l’absorption de la lumière par des nanoparticules métalliques sont maintenant considérées comme un point de départ pour de nombreuses applications : nanosources thermiques en médecine, enregistrement magnétique, catalyse chimique, thermotronique ou la conversion d’énergie.L’usage de laser femtosecondes sur des structures plasmoniques, permet de créer des nanosources thermiques confinées spatialement atteignant des températures électroniques très élevées devant la température du réseau atomique. L'absorption par un métal d'une impulsion d'énergie peut être décrite en trois étapes principales. Tout d'abord, une absorption des photons par les électrons du métal augmentant l'énergie des électrons à l'échelle de la centaine de femtosecondes avec des températures électroniques pouvant atteindre des milliers de degrés Kelvin alors que la température du réseau, elle, reste quasiment constante. Puis une deuxième étape au cours de laquelle les interactions électron-phonon transmettent l'énergie absorbée par les électrons au réseau, ce qui permet à l'énergie des électrons et du réseau d'atteindre un équilibre. Enfin, l’énergie est dissipée dans le substrat entourant le métal par conduction thermique.Il existe un grand nombre de modèles dans la littérature permettant de décrire le non-équilibre entre électrons et phonons mais cependant, une comparaison rigoureuse et quantitative avec des données expérimentales fait défaut pour valider ou invalider ces modèles. Cela a été l’objectif principal de cette étude.Afin d’étudier ces phénomènes, j’ai utilisé une expérience pompe-sonde où la pompe permet un chauffage ultra-rapide de l’échantillon ce qui provoque un changement de la permittivité dudit matériau. Le faisceau sonde permet alors de mesurer les variations dans le spectre de réflexion et de transmission, provoquées par le changement de permittivité.J’ai mis en place un code numérique permettant de modéliser l’évolution de la température dans un maillage 3D d’une structure composé d’éléments diélectriques et métalliques. Ce modèle thermique prend en compte les divers phénomènes de transport d’énergie dans un métal tel que le couplage électron-phonon, la conduction thermique électronique et des phonons et le déplacement balistique des électrons non thermalisés. Puis, via un modèle de la permittivité en fonction de la température prenant en compte les transitions interbandes et intrabandes, ce modèle a été couplé à un modèle optique permettant de simuler l’évolution des spectres optiques d’une structure en fonction de sa température afin de pouvoir confronter ce modèle numérique aux résultats expérimentaux par des ajustements des données.Ce modèle numérique a été validé sur de nombreuses expériences pompe-sonde effectuées sur des films d’or de diverses épaisseurs et des réseaux de nanostructures d’or sur verre ou sur film d’or. Nous avons pu montrer que parmi le très grand nombre de paramètres optiques et thermiques intervenant dans le modèle, toutes ces données expérimentales pouvaient être ajustées en utilisant un très petit nombre de paramètres libres, confirmant ainsi la robustesse du modèle. Enfin, ce modèle a pu être utilisé pour concevoir et optimiser des réseaux de structures permettant la mise en évidence expérimentale de la propagation de la chaleur sur des échelles de quelques centaines de nanomètre au sein d’une nanostructure d’orThermoplasmonics is a branch of plasmonics exploiting thermal phenomena in metallic structures. Long regarded as problematic, Joule losses due to the absorption of light by metallic nanoparticles are now considered as a starting point for many applications: thermal nanosources in medicine, magnetic recording, chemical catalysis, thermotronics or energy conversion.The use of femtosecond lasers on plasmonic structures, allows the creation of spatially confined nanosources of heat reaching very high electronic temperatures compared to the temperature of the atomic lattice. The absorption by a metal of a pulse of energy can be described in three main steps. Firstly, an absorption of photons by the electrons of the metal increases the electron energy on the scale of a hundred femtoseconds with electronic temperatures that can reach thousands of Kelvin, while the lattice temperature remains almost constant. Then, a second step, in which the electron-phonon interactions transmit the energy absorbed by the electrons to the grid, allowing the electrons and phonons to reach equilibrium. Finally, the energy is dissipated into the substrate surrounding the metal by thermal conduction.Many models exist in the literature to describe the non-equilibrium between electrons and phonons. However, a rigorous and quantitative comparison with experimental data is lacking to validate or invalidate these models. This was the main objective of this study.To study these phenomena, I used a pump-probe experiment where the pump allows an ultra-fast heating of the sample which causes a change in the permittivity of the metal. The probe beam then allows to measure the variations in the reflection and transmission spectrum, caused by the change in permittivity.I set up a numerical code allowing to model the temperature evolution in a 3D mesh of a structure composed of dielectric and metallic elements. This thermal model takes into account the various energy transport phenomena in a metal such as electron-phonon coupling, electron and phonon thermal conduction and ballistic displacement of non-thermalized electrons. Then, via a model of permittivity as a function of temperature taking into account the interband and intraband transitions, this model was coupled to an optical model to simulate the evolution of the optical spectra of a structure as a function of its temperature in order to be able to confront this numerical model with the experimental results by data fitting.This numerical model has been validated on numerous pump-probe experiments carried out on gold films of various thicknesses and gold nanostructure arrays on glass or gold film. We were able to show that, among the very large number of optical and thermal parameters involved in the model, all these experimental data could be adjusted using a very small number of free parameters, thus confirming the robustness of the model. Finally, this model was used to design and optimize samples allowing the experimental demonstration of heat propagation on scales of a few hundred nanometers within a gold nanostructure
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Lalisse, Adrien. « Optimisation thermique de nanostructures plasmoniques : conception, modélisation et caractérisation ». Thesis, Paris 6, 2017. http://www.theses.fr/2017PA066081/document.
Texte intégralRésumé :
Un des défis majeurs auquel la communauté de la nano-optique aura à répondre dans les années à venir sera de concentrer l'énergie lumineuse à l'échelle du nanomètre de façon à créer une nanosource optique ou thermique intense à même d'alimenter de futurs dispositifs. Les nanoparticules métalliques, supportant une résonance plasmon de surface, sont idéales pour de telles applications. Dans ce contexte, cette thèse a pour vocation d'apporter un élément de réponse aux problématiques d'optimisation thermique aux échelles nanométriques et de proposer une nouvelle technique de nanothermométrie. A l'aide de simulations numériques, nous avons pu mettre en évidence les propriétés de génération de chaleur des nitrures de titane et de zirconium, dépassant celle de l'or, qui en font alors des matériaux de choix pour concevoir et fabriquer des nanosources thermiques dans le visible. Nous avons également obtenu une morphologie de particules induisant un échauffement maximal pour une longueur d'onde donnée : une nanoétoile à trois branches. Nous avons ensuite fabriqué des nanostructures d'or par lithographie électronique afin de les caractériser par holographie photothermique. En utilisant les deux types d'informations accessibles avec cette technique, l'amplitude et la phase optique, nous nous sommes alors efforcés à quantifier l'élévation de température de nanobâtonnets d'or. L'holographie photothermique d'amplitude a permis d'obtenir des mesures de température semi-quantitatives et, la technique de phase, encore préliminaire, se révèle intéressante et innovante pour étudier les propriétés thermoplasmoniques de nanostructures plasmoniquesFocusing light on the nanoscale in order to create intense optical or thermal nanosources is probably the main challenge facing the nano-optics community, in order to power up future devices. Metallic nanoparticles and their surface plasmon resonance are ideal optical or thermal nanosources.In this context, this thesis aims at providing a possible solution to the issues of thermal optimization at the nanoscale and nanothermometry.By carrying out numerical simulations, we were able to highlight the heat generation properties of titanium and zirconium nitrides, exceeding those of gold, which make them ideally suited in order to conceive and fabricate heat nanosources in the visible. We also managed to obtain a particle morphology inducing a maximum heating at a given wavelength : a three-branchs nanostar.We fabricated gold nanostructures by e-beam lithography in order to characterize them with photothermal holography. By exploiting the two kind of informations available with this far-field optical technique, the amplitude and the optical phase, we strove to quantify the temperature variations of gold nanorods. The photothermal holography setup based on amplitude delivered semi-quantitative temperature measurements, and the phase based-technique, still at a preliminary stage of developpement, proves to be a new and promising tool for the study of optical and thermal properties of plasmonic nanostructures
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Zakharko, Yuriy. « Initial and plasmon-enhanced optical properties of nanostructured silicon carbide ». Electronic Thesis or Diss., Lyon, INSA, 2012. http://www.theses.fr/2012ISAL0105.
Texte intégralRésumé :
Le carbure de silicium (SiC) nanostructuré est considéré aujourd'hui comme une bonne alternative aux matériaux traditionnels pour diverses applications multidisciplinaires. Dans cette thèse, des nanostructures de SiC ont été élaborées par gravure électrochimique et par ablation laser. La première partie de cette thèse décrit et explique la dépendance en taille des propriétés optiques ainsi que l'importance des effets de champ local sur les transitions électroniques photo-induites des nanostructures de SiC. Dans la seconde partie, il est démontré une amplification d’un facteur 15 de l’intensité de photoluminescence des nanoparticules de SiC par leurs interactions en champ proche avec les plasmons multipolaires localisées. En outre, un facteur 287 et un facteur 72, induits par le couplage plasmonique, sont obtenus respectivement pour les signaux de luminescence à deux photons et de génération de seconde harmonique. Les principaux mécanismes physiques responsables des effets observés ont été décrits par des simulations de type différences finies dans le domaine temporel en trois dimensions. Enfin, l'effet de couplage de nanoparticules de SiC luminescentes à des nanostructures plasmoniques en structures planes est utilisé pour améliorer le marquage de cellules biologiques. Une perspective est ouverte sur la réalisation et les premières caractérisations de suspension colloïdales de nanohybrides plasmonique (Au@SiO2)SiCNanostructured silicon carbide (SiC) is considered today as a good alternative to the conventional materials for various multidisciplinary applications. In this thesis, SiC nanostructures were elaborated by means of electrochemical etching and laser ablation techniques. The first part of the thesis clarifies size-dependence of optical properties as well as importance of local-field effects onto the photoinduced electronic transitions of SiC nanostructures. In the second part of the thesis strong 15-fold photoluminescence enhancement of SiC nanoparticles is ensured by their near-field interactions with multipolar localized plasmons. Further, 287-fold and 72-fold plasmon-induced enhancement factors of two-photon excited luminescence and second harmonic generation is achieved, respectively. The main physical mechanisms responsible for the observed effects were described by three-dimensional finite-difference time domain simulations. Finally, the coupling effect of luminescent SiC nanoparticles to plasmonic nanostructures is used in the enhanced labelling of biological cells on the planar structures. As a perspective, colloidal plasmonic (Au@SiO2)SiC nanohybrids were elaborated and characterized
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Abid, Ines. « Plasmonique hybride : propriétés optiques de nanostructures Au-TMD, couplage plasmon-exciton ». Thesis, Toulouse 3, 2017. http://www.theses.fr/2017TOU30333/document.
Texte intégralRésumé :
Récemment, la famille des dichalcogénures de métaux de transition (TMDs) (MoS2, WS2, MoSe2...) a suscité l'intérêt de nombreuses équipes de recherche en raison de leurs propriétés optiques, électroniques et spintroniques exceptionnelles. Ma thèse est centrée sur l'association de monocouches de TMDs à des nano-structures plasmoniques. Ces dernières apportent une exaltation des propriétés d'absorption, de diffusion et d'émission optiques qui peuvent être mises à profit dans divers domaines d'applications tels que l'opto-électronique, la photo-catalyse ou les capteurs. Dans une première partie je me suis intéressée à l'interaction plasmon-exciton dans des systèmes hybrides constitués de couches de MoSe2 élaborés par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et transférées sur les nanodisques d'or. La résonance plasmon est contrôlée par le diamètre et la séparation entre les nano-disques. Grâce à des mesures de transmission optique et de photoluminescence, et à une analyse détaillée des réponses spectrales basée sur un modèle analytique et des simulations numériques, j'ai mis en évidence un couplage de type Fano entre les plasmons de surface des nanodisques et les transitions excitoniques de MoSe2. J'ai étudié la dépendance de ce couplage en fonction de la taille des disques, du nombre de monocouches de MoSe2 déposées et aussi en fonction de la température. Une analyse quantitative des résultats a été menée en simulant numériquement non seulement le champ local plasmonique mais aussi son couplage avec le moment dipolaire des transitions excitoniques. Pour compléter l'exploration des propriétés optiques du système MoSe2@Au, je me suis intéressée à la diffusion Raman dans des conditions d'excitation résonante et non-résonante de la transition hybride plasmon-exciton. L'idée principale étant que la résonance plasmonique apporte une exaltation de la diffusion Raman par effet SERS (Surface Enhanced Raman Scattering) tandis que les transitions excitoniques contribuent par l'effet Raman résonnant. Cette combinaison des résonances plasmonique et excitonique conduit à un effet SERS résonant. J'ai ainsi pu distinguer les contributions relatives de ces deux résonances, notamment grâce à l'imagerie confocale de la diffusion Raman. J'ai également montré que, dans ces conditions d'excitation résonnante de la transition plasmon-exciton, un phénomène d'hyperthermie a lieu. la modélisation par simulation numérique du champ proche optique et de la diffusion Raman a été utile pour comprendre les principaux facteurs limitatifs de l'exaltation Raman. Ensuite, la couche de MoSe2 a été utilisée comme substrat de nanoparticules d'Au. Les mesures de photoluminescence ont révélé une extinction quasi-totale de l'émission de la photoluminescence. Afin d'expliquer ce phénomène, deux possibilités ont été discutés : (i) le passage de la structure de bande électronique de la couche de TMD d'un semiconducteur à gap direct à indirect à cause de la contrainte imposée par les nanoparticules d'Au (ii) le désordre structural dû au dépôt des nanoparticules d'Au (iii) le transfert des porteurs photo- générés du semiconducteur vers le métal. Grâce aux mesures Raman, et à l'émission radiative des nanoparticules d'Au, j'ai mis en évidence un phénomène de transfert de charges entre le semi conducteur et le métal. Pour compléter les interprétations proposées, j'ai mené une étude comparative avec les propriétés optiques de couche de TMD couvertes \nolinebreak de silice. Ce travail de thèse a été mené au sein du groupe NeO du CEMES et dans le cadre d'une collaboration avec le groupe du Professeur Jun Lou de l'université de Rice à HoustonTransition metal dichalcogenide materials (TMDs) are increasingly gaining attention, due to their unique optical, spintronic, and electronic properties. These properties result from the ultimate confinement in 2D monolayers of a direct band-gap semiconductor and the lack of inversion symmetry in the crystallographic structure. To control and enhance the optical response of these materials, it is interesting to integrate them with plasmonic nano-resonators. The TMDs/plasmonic hybrid systems have been extensively studied for plasmon-enhanced optical signals, photocatalysis, photodetectors, and solar cells. In this context, this thesis deals with the interaction between TMD monolayers and gold nanostructures. In a first part, an hybrid system composed of CVD grown MoSe2 monolayers transferred on gold nanodisks was studied. Surface plasmon resonance was tuned by controlling the nanodisks size and the inter-disks separation. The optical properties of the nanostructures are probed by means of spatially resolved optical transmission and photoluminescence spectroscopies. Fano-type coupling regime between the surface plasmon of the gold nanodisks and the MoSe2 exciton was evidenced by a quantitative analysis of the optical extinction spectra based on an analytical model. Our interpretations were supported by numerical simulations. The number of MoSe2 monolayer dependence as well as the Temperature dependence of the plasmon-exciton interaction was investigated. Our results were quantatively analysed on the nanometric scale by studying the local electromagnetic near-field and the excitonic transition dipole momentum interaction. Furthermore, the Raman scattering of MoSe2@Au system was carried out. A particular situation was investigated where a resonant interaction between the surface plasmon of nanodisks and A exciton of v occur. The contribution of these two resonances leads to a resonant surface enhanced Raman scattering (SERRS) effect. The Raman Scattering excitation is selected to resonantly excite the Surface Plasmon resonance and MoSe2 excitonic transition simultaneously. The relative contribution of the surface Plasmon and the confined exciton to the resonant Raman scattering signal is pointed out. In this resonant condition, a hyperthermia effect was detected. Numerical simulations of the SERS gain were useful to figure out the main factors affecting the SERS intensity enhancement in MoSe2@Au. In a second part, the TMD monolayer was used as a substrate of Au nanoparticles. Au nanoislands were deposited on mono- and few-layered MoSe2 flakes. Photoluminescence (PL) measurements revealed a net quenching of the MoSe2 photoluminescence. To figure out the origin of this quenching three possibilities were discussed (i) the charge transfer between the TMD monolayer and the Au particles (ii) the direct to indirect gap transition of the TMD electronic band structure caused by the strain induced by the metal deposition (iii) structural disorder imparted by the nanoparticles in the TMD/metal interface. Owing to the Raman scattering measurements and using the radiative emission of the gold nanoparticles, we evidenced a charge transfetrt between the metallic nanostructures and the semiconductor. In order to complement our interpretations a comparative study with respect to optical properties of TMD covered by a silica film was carried out. The present work was held within the NeO group in CEMES, in a frame of a collaboration with the group of thr Pr. Jun Lou from Rice university, Houston
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Ethis, de Corny Maëliss. « Caractérisation de la génération de second harmonique dans des nanostructures plasmoniques ». Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018GREAY074.
Texte intégralRésumé :
Les nanostructures métalliques ont la capacité de supporter des résonances de plasmons de surface localisés se caractérisant par une oscillation collective des électrons libres du métal. Ce phénomène, connu pour générer localement un champ électrique intense, peut notamment être exploité afin d'exalter les processus d'optique non-linéaire à l'échelle nanométrique. Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés au processus de génération de second harmonique (SHG) de nanostructures en aluminium et en or. Tout d'abord, nous avons étudié l'origine du processus non-linéaire et mis en évidence le rôle important joué, dans l'or, par la contribution non-locale, issue des gradients de champ dans le volume de la nanostructure. Ensuite, nous avons montré, en associant un phénomène de double résonance et un accord des modes plasmoniques à l'excitation et à l'émission, qu'il est possible d'exalter fortement la réponse harmonique d'une nanoantenne compacte en aluminium. Dans l'optique d'obtenir une intensité non-linéaire encore plus importante, une stratégie est de coupler ces nanostructures à un nanocristal non-linéaire afin de bénéficier à la fois de la forte exaltation du champ générée par le métal et de la non-linéarité du cristal. Afin d'optimiser l'intensité harmonique générée par ces structures hybrides, disposer de nanocristaux possédant une forte non-linéarité intrinsèque est nécessaire. C'est pourquoi, au cours de cette thèse, nous avons mesuré la réponse harmonique de nanocristaux d'iodates de lantane isolés, afin d'estimer leur potentiel pour intégrer ce type de structure. De plus, un microscope optique en champ proche a été mis en place sur le dispositif expérimental permettant la manipulation de nanocristaux à proximité de structures métalliques. Cette thèse, en apportant de nouveaux éléments pour comprendre et optimiser le processus de SHG dans les nanostructures plasmoniques, offre de nouvelles perspectives pour confectionner des composants optiques efficaces pour la conversion de fréquence à l'échelle nanométriquePlasmonic nanostructures have the ability to support localised surface plasmon resonances characterized by a collective oscillation of the free electrons in metal. This phenomenon, know to generate an intense local field, can be used to enhance nonlinear optical processes at the nanoscale level. In this thesis, we have investigated the second harmonic generation (SHG) process in aluminum and gold nanostructures. First, we have studied the origin of this nonlinear process and highlighted the major role played, in gold, by the bulk nonlocal contribution, originating from the field gradients inside the nanostructure volume. Then, we pointed out, by achieving a double resonance regime associated with a plasmonic mode matching at the excitation and emission, the possibility to enhance significantly the harmonic response of compact aluminum nanoantennas. In order to increase even more the nonlinear intensity, an idea is to couple these nanostructures to a nonlinear nanocrystal to benficiate both from the field enhancement provided by the metallic nanoantenna and from the nonlinearity of the nanocrystal. To optimise the harmonic intensity generated by these hybrid structures, have nanocrystals with a strong intrinsic nonlinearity is required. To this end, we have measured the harmonic response of single latanide iodate nanocrystals, in order to evaluate their ability to integrate this type of structure. Moreover, we have implemented a near-field optical microscope used to manipulate nancorystals in the vincinity of metallic nanostructures. This thesis, by bringing new elements to understand and optimise the SHG process in plasmonic nanostructures, provides new perspectives to elaborate efficient optical components to frequency conversion at the nanoscale
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Girard-Desprolet, Romain. « Filtrage spectral plasmonique à base de nanostructures métalliques adaptées aux capteurs d'image CMOS ». Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2015. http://www.theses.fr/2015GREAT053/document.
Texte intégralRésumé :
Les capteurs d'image connaissent un regain d'intérêt grâce à la croissance remarquable du secteur de la communication sans fil, et leurs fonctionnalités tendent à se diversifier. Plus particulièrement, une application récente connue sous le nom de capteur de luminosité ambiante (ALS de l'acronyme anglais) est apparue dans le but de proposer un ajustement intelligent du rétro-éclairage dans les appareils mobiles pourvus d'écrans. Les avancées technologiques ont permis la fabrication de smartphones toujours plus fins, ce qui impose une contrainte importante sur la hauteur des capteurs de lumière. Cette réduction d'épaisseur peut être réalisée grâce à l'utilisation de filtres spectraux innovants, plus fins et entièrement sur puce. Dans cette thèse, nous présentons l'étude et la démonstration de filtres plasmoniques adaptés à une intégration dans des produits ALS commerciaux. Les structures de filtrage les plus performantes sont identifiées avec une importance particulière accordée à la stabilité des filtres par rapport à l'angle d'incidence de la lumière et à son état de polarisation. Des schémas d'intégration compatibles CMOS et respectant les contraintes d'une fabrication à l'échelle du wafer sont proposés. Les résonances de plasmon sont étudiées afin d'atteindre des propriétés optiques optimales et une méthodologie spécifique à partir d'un véritable cahier des charges client a été utilisée pour obtenir des performances ALS optimisées. La robustesse des filtres plasmoniques aux dispersions de procédé est analysée à travers l'identification et la modélisation des imprécisions et des défauts typiques d'une fabrication sur wafer 300 mm. A la lumière de ces travaux, une démonstration expérimentale de filtres ALS plasmoniques est réalisée avec le développement d'une intégration à l'échelle du wafer et avec la caractérisation et l'évaluation des performances des structures fabriquées afin de valider la solution plasmoniqueImage sensors have experienced a renewed interest with the prominent market growth of wireless communication, together with a diversification of functionalities. In particular, a recent application known as Ambient Light Sensing (ALS) has emerged for a smarter screen backlight management of display-based handheld devices. Technological progress has led to the fabrication of thinner handsets, which imposes a severe constraint on light sensors' heights. This thickness reduction can be achieved with the use of an innovative, thinnest and entirely on-chip spectral filter. In this work, we present the investigation and the demonstration of plasmonic filters aimed for commercial ALS products. The most-efficient filtering structures are identified with strong emphasis on the stability with respect to the light angle of incidence and polarization state. Integration schemes are proposed according to CMOS compatibility and wafer-scale fabrication concerns. Plasmon resonances are studied to reach optimal optical properties and a dedicated methodology was used to propose optimized ALS performance based on actual customers' specifications. The robustness of plasmonic filters to process dispersions is addressed through the identification and the simulation of typical 300 mm fabrication inaccuracies and defects. In the light of these studies, an experimental demonstration of ALS plasmonic filters is performed with the development of a wafer-level integration and with the characterization and performance evaluation of the fabricated structures to validate the plasmonic solution
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Jiang, Quanbo. « Réalisation et optimisation de structures plasmoniques pour le couplage directionnel de la lumière ». Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016GREAY086/document.
Texte intégralRésumé :
Le projet de thèse est divisé en deux parties. D’une part, la génération directionnelle et singulière de plasmons de surface (SPPs) par des ouvertures nanométriques a été réalisé et optimisé par le biais de microscopie de fuites radiatives (LRM). Nous démontrons expéri- mentalement qu’une structure plasmonique composée de nano-ouvertures en forme de T et Λ permet de contrôler le couplage unidirectionnel et radialdes SPPs grâce au spin de la lumière incidente. Pour confirmer nos résultats expérimentaux, nous développons un modèle analytique qui décrit les coupleurs plasmoniques constitués de nano-ouvertures par représentation multidipolaire, permettant ainsi une explication théorique de la directionalité et de la formation de vortex plasmonique. L’optimisation des paramètres géométriques tels que l’angle au sommet des ouvertures en forme de Λ montre la possibilité de maximiser la directivité et le taux d’extinction à la fois pour le couplage directionnel et la génération des vortex dans le champ lointain. Parailleurs, notre méthode basée sur la détection LRM, permet une analyse quantitative et est avérée être une technique de caractérisation sophistiquée pour cartographier le champ plasmonique. Il fournit également plusieurs nouvelles possibilités pour la focalisation de SPP contrôlée en polarisation.D’autre part,le couplage spin-orbite de la lumière dans un guide et son effet réciproque sont réalisées et confirmées expérimentalement et théoriquement. Les coupleurs et découpleurs réseaux sur le guide d’ondes sont d’abord développés et étudiés. La sortie parfaite de la lumière confinée par le découpleur nous offre la possibilité de détecter les ondes guidées. La fluorescence des nanocristaux déposés sur la surface de l’échantillon montre une autre possibilité de visualiser directement la propagation de la lumière dans le guide d’onde. Le couplage directionnel contrôlé par spin est réalisé par des antennes en forme de Λ et est confirmé par des images en champ sombre avec des découpleurs et des images de fluorescence. En outre, l’effet réciproque est observé avec une imperfection de polarisation de sortie qui est expliqué théoriquement par le fait que les ordres de diffraction par les antennes en forme de Λ influent sur les états de polarisation finaux. Ainsi, l’effet réciproque est parfaitement réalisé par la sélection d’une région spécifique de diffraction dans le plan de Fourier. La caractérisation quantitative des interactions spin-orbite nous permet d’envisager le développement de nouveaux coupleurs directionnels dans le domaine de la nanophotonique tels que le traitement quantique de l’informationIn this project, two contributions are reported. Firstly, the directional and singular generation of Surface Plasmon Polaritons (SPPs) in the nanoapertures is investigated using the Leakage Radiation Microscopy (LRM). We demonstrate experimentally spin-driven directional coupling as well as singularity (inward) and vortex (outward radial coupling) of SPPs by nanostructures built with T-shaped and Λ-shaped apertures.To support our experimental findings, we develop an analytical model based on a multidipolar representation of Λ- andT-shaped aperture plasmonic couplers, allowing a theoretical explanation of both directionality and singular SPP formation. The optimal apex angle of Λ-shaped apertures shows the possibility to maximize the directiviy and extinction ratio for both directional coupling and singular SPP generation in the far field. Besides, our method based on LRM detection, allows quantitative analysis and is proven to be a sophisticated characterization technique for mapping the SPP vortex field.It also provides several new possibilities for polarization-controlled SPP sub-wavelength focusing.Secondly, the spin-orbit coupling of light into a photonic waveguide and its reciprocal effect are realized and confirmed both experimentally and theoretically. Coupler and decoupler gratings on the waveguide are firstly developed and investigated. The radiation of the confined light from the decoupler provides us a possibility to detect the guided waves. The fluorescence of nanocrystals deposited on the sample surface shows another possibility to directly visualize the light propagation in the waveguide. The spin-driven directional coupling is achieved by Λ-shaped antennas and is certified by the dark field images with decouplers and the fluorescence images. Furthermore, the reverse effect is observed with an imperfection of output polarization which is explained that the diffraction orders by the Λ-shaped apertures influence the final polarization states based on an analytical model. Thus, the reciprocal effect is realized by selecting the specific diffraction region on the Fourier plane. We believe that the quantitative characterization of spin-orbit interactions will pave the way for developing new directional couplers in the field of nanophotonics such as quantum information processing and so forth
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N'Konou, Kokou Kekeli David. « Nanostructures plasmoniques de type coeur-coquille métal-diélectrique pour cellules photovoltaïques organiques ». Thesis, Aix-Marseille, 2018. http://www.theses.fr/2018AIXM0148/document.
Texte intégralRésumé :
L'une des approches pour améliorer les performances des cellules solaires organiques, sans augmenter l'épaisseur de la couche photoactive, consiste à incorporer des nanoparticules (NPs) métalliques dans cette couche ou à proximité pour bénéficier de la diffusion de la lumière incidente ou de résonances de plasmons de surface localisés. Cependant, ces NPs métalliques peuvent engendrer des recombinaisons des porteurs de charges électriques, créer des court-circuits ou favoriser l'extinction des excitons au contact du métal. Une solution est alors de protéger ces NPs métalliques par un revêtement diélectrique (coquille ou couche fine). L'objectif de cette thèse est d'étudier l'influence de nanostructures de type cœur–coquille (métal-diélectrique) sur les performances optiques et photoélectriques de cellules solaires organiques, à l'aide de modélisations numériques et de réalisations expérimentales. Dans un premier temps, une étude numérique prédictive, basée sur une modélisation par méthode FDTD, nous a permis d'analyser l'influence de paramètres architecturaux et opto-géométriques sur les propriétés optiques de cellules solaires plasmoniques. Par la suite, nous avons synthétisé et caractérisé des nanosphères (NSs) avec un cœur métallique en argent ou en or recouverts d'une fine coquille de silice. L'incorporation de NSs Ag@SiO2 synthétisées (voie humide) ou de NPs Ag/SiO2 déposées par évaporation (voie sèche) dans des cellules solaires à architecture inverse ont permis d'augmenter le photocourant de 12% ou de 18% respectivement par rapport à la cellule de référence (sans NSs)One of the approaches to improve the organic solar cells performance without increasing the thickness of the photoactive layer is to incorporate metallic nanoparticles (NPs) in this layer or in its proximity to have benefited from light scattering or localized surface plasmon resonance effects. However, these NPs can generate charge carriers recombination, short circuits or exciton quenching due to the contact with the metal. A solution is then to coat these MNPs with a dielectric (thin shell or layer) to protect them. The objective of this thesis is to study the influence of metaldielectric coreshell nanostructures on the optical and photoelectric performances of organic solar cells, by using numerical modeling and experiments. First, a predictive numerical analysis by FDTD modeling allowed us to optimize the influence of architectural and optogeometric parameters on optical properties of plasmonic organic solar cells. Silver or gold core nanospheres (NSs) coated with a thin silica shell were synthesized and characterized. Finally, the integration of chemically synthesized Ag@SiO 2 NSs (wet process) or Ag/SiO 2 NPs deposited by evaporation (dry process) in inverted organic solar cells has increased the photocurrent by 12% or 18%, respectively, compared to the reference cell(without NSs)
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N'Konou, Kokou Kekeli David. « Nanostructures plasmoniques de type coeur-coquille métal-diélectrique pour cellules photovoltaïques organiques ». Electronic Thesis or Diss., Aix-Marseille, 2018. http://www.theses.fr/2018AIXM0148.
Texte intégralRésumé :
L'une des approches pour améliorer les performances des cellules solaires organiques, sans augmenter l'épaisseur de la couche photoactive, consiste à incorporer des nanoparticules (NPs) métalliques dans cette couche ou à proximité pour bénéficier de la diffusion de la lumière incidente ou de résonances de plasmons de surface localisés. Cependant, ces NPs métalliques peuvent engendrer des recombinaisons des porteurs de charges électriques, créer des court-circuits ou favoriser l'extinction des excitons au contact du métal. Une solution est alors de protéger ces NPs métalliques par un revêtement diélectrique (coquille ou couche fine). L'objectif de cette thèse est d'étudier l'influence de nanostructures de type cœur–coquille (métal-diélectrique) sur les performances optiques et photoélectriques de cellules solaires organiques, à l'aide de modélisations numériques et de réalisations expérimentales. Dans un premier temps, une étude numérique prédictive, basée sur une modélisation par méthode FDTD, nous a permis d'analyser l'influence de paramètres architecturaux et opto-géométriques sur les propriétés optiques de cellules solaires plasmoniques. Par la suite, nous avons synthétisé et caractérisé des nanosphères (NSs) avec un cœur métallique en argent ou en or recouverts d'une fine coquille de silice. L'incorporation de NSs Ag@SiO2 synthétisées (voie humide) ou de NPs Ag/SiO2 déposées par évaporation (voie sèche) dans des cellules solaires à architecture inverse ont permis d'augmenter le photocourant de 12% ou de 18% respectivement par rapport à la cellule de référence (sans NSs)One of the approaches to improve the organic solar cells performance without increasing the thickness of the photoactive layer is to incorporate metallic nanoparticles (NPs) in this layer or in its proximity to have benefited from light scattering or localized surface plasmon resonance effects. However, these NPs can generate charge carriers recombination, short circuits or exciton quenching due to the contact with the metal. A solution is then to coat these MNPs with a dielectric (thin shell or layer) to protect them. The objective of this thesis is to study the influence of metaldielectric coreshell nanostructures on the optical and photoelectric performances of organic solar cells, by using numerical modeling and experiments. First, a predictive numerical analysis by FDTD modeling allowed us to optimize the influence of architectural and optogeometric parameters on optical properties of plasmonic organic solar cells. Silver or gold core nanospheres (NSs) coated with a thin silica shell were synthesized and characterized. Finally, the integration of chemically synthesized Ag@SiO 2 NSs (wet process) or Ag/SiO 2 NPs deposited by evaporation (dry process) in inverted organic solar cells has increased the photocurrent by 12% or 18%, respectively, compared to the reference cell(without NSs)
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Grégoire, Alexandre. « Étude de l’exaltation de fluorescence dans des assemblages linéaires de nanoparticules plasmoniques ». Doctoral thesis, Université Laval, 2020. http://hdl.handle.net/20.500.11794/40333.
Texte intégralRésumé :
L’objectif principal de ce projet de doctorat porte sur le développement d’architectures nanostructurées afin d’étudier l’interaction par couplage dipôle dipôle entre des molécules chromophores et des particules colloïdales métalliques. Certains métaux nobles comme l’Au ou l’Ag possèdent d’intéressantes propriétés optiques lorsqu’ils se retrouvent sous la forme de nanoparticules. En effet, l’oscillation collective d’électron de conduction, propriété connue sous le nom de plasmon de surface localisé est responsable des couleurs vives et intenses de ces suspensions colloïdales. Ce plasmon de surface entraîne une forte concentration locale du champ électrique qui a été utilisé afin d’amplifier différentes méthodes spectroscopiques comme la fluorescence. L’exaltation de fluorescence par les métaux ou MEF permet d’améliorer les propriétés intrinsèques de fluorophores moléculaires par l’amplification de l’efficacité d’excitation et d’une diminution de leur temps de vie à l’état excité, résultant globalement en une augmentation de l’intensité de fluorescence. Un typed’architecture permettant d’exploiter cette exaltation MEF sont les nanoparticules hybrides coeur-coquille de type metal@silice. Cependant, qu’arrive-t-il lorsqu’on assemble ces nanoparticules en un assemblage plus complexe comme une chaîne de nanoparticules par exemple ? De nouvelles propriétés plasmoniques peuvent alors être exploitées tel le couplage plasmonique entre les nanoparticuleset la propagation d’un plasmon au sein de la chaîne. L’objectif de ce projet est donc d’étudier les propriétés plasmoniques de chaînes de nanoparticules coeur-coquille avec la fluorescence dans le but d’observer une propagation plasmonique. L’assemblage en chaîne de ces nanoparticules hybrides s’est effectué à l’aide d’une technique exploitant une étampe de polydiméthylsiloxane ridée afin d’aligner les nanoparticules à l’intérieur des nanorides formées. L’influence de propriétés géométriques de ces assemblages sur les propriétés de fluorescence d’unfluorophore connu, la fluorescéine, sera présentée. La caractérisation des propriétés optiques de couplages plasmonique par rapport à la taille des coeurs de nanoparticules Ag@SiO2@fluorophore a été réalisé à l’aide de techniques de microscopie de fluorescence, de diffusion en champ sombre et de microscopie de temps de vie de fluorescence. Ces informations fondamentales ont d’ailleurs été appliquées pour étudier la propagation plasmonique dans ces assemblages linéaires de nanoparticules hybrides à l’aide d’une nouvelle technique d’imagerie de fluorescence et plasmon par onde évanescente de guides d’onde photo-inscrits.De plus, une nouvelle technique d’excitation par onde évanescente de guides d’onde photo-inscrits sera présentée pour l’imagerie de propagation plasmonique. La fabrication de ces guides, par photoinscription dans des substrats de silice est réalisée en collaboration avec le groupe du Prof. Réal Vallée du Centre d’Optique, Photonique et Laser à l’aide d’un laser à impulsion femtoseconde. Le positionnement des guides d’onde près de la surface du substrat créer une méthode d’excitation en champ proche par l’onde évanescente éliminant ainsi les problèmes de signaux parasites provenant du volume avoisinant la surface.
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Chehadi, Zeinab. « Nanostructures hybrides Au/Semi-conducteur : investigation des effets plasmoniques en catalyse sous lumière visible ». Thesis, Troyes, 2017. http://www.theses.fr/2017TROY0016/document.
Texte intégralRésumé :
Grâce à ses propriétés optiques originales, une NanoParticule d’Or (NPO) excitée peut se comporter comme une nano-source de lumière, de chaleur et d’électrons chauds. Ces propriétés plasmoniques remarquables sont exploitées dans de nombreuses transformations chimiques. Dans ce contexte, la photocatalyse plasmonique basée sur le transfert d’électrons entre une NPO et un semi-conducteur a été proposée. Cependant, peu d’études sont centrées sur l’influence du plasmon et la contribution respective de ses effets locaux (thermiques et électroniques) sur ce transfert utilisé en photocatalyse. Ici, nous abordons ces problématiques à travers 3 réactions catalytiques. Premièrement, nous montrons la faisabilité de l'oxydation efficace et sélective de glycérol sans aucune source externe de chaleur grâce à l’effet thermoplasmonique local de la NPO. Nous étudions ensuite la dégradation de bisphénol-A sur différents supports catalytiques. Nos résultats montrent que la NPO joue un rôle primordial à travers le transfert d’électrons mais aussi en tant que nano-source de chaleur permettant d’accélérer la cinétique et d’éliminer ainsi totalement et rapidement ce perturbateur endocrinien. Enfin, nous avons développé un montage optique pour étudier la dégradation de polluants à l'échelle nanométrique. Pour cela, nous avons réalisé un système hybride à base de NPOs couplées à un nanofilm de TiO2 par structuration laser. Nos travaux montrent que l’activité catalytique est corrélée aux dimensions structurales des NPOs. Ces résultats ouvrent la voie vers l'exploitation de nombreux processus industriels sous lumière solaireThe excitation of Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) of Gold NanoParticles (GNPs) can give many physical effects such as near-field enhancement, heat generation and hot electron injection, which have been investigated in many chemical transformations. In that context, the plasmonic photocatalysis based on electron transfer from GNP to a semi-conductor has been proposed. However, few studies are focused on the influence of LSPR features and the respective contribution of its local effects (thermal and electronic) on the photocatalytic activity. These issues are addressed herein through 3 catalytic reactions. First, the efficient and selective oxidation of glycerol in the presence of supported GNPs is demonstrated under laser irradiation and without any external source of heat, thanks to the local heat generation and hot electron transfer. The respective contributions of these effects is further investigated in plasmonic photocatalysis by following the degradation of Bisphenol-A. Our results show that GNP plays a major role through hot electron transfer but also as a nano-source of heat that accelerates the reaction and leads to a fast and total elimination of this endocrine disruptor. Finally, an optical set-up is developed for studying the plasmonic photocatalysis at the nanoscale. For this, a hybrid system of GNPs coupled to a TiO2 nanofilm is realized by laser nanostructuring. Our investigations show that photocatalytic activity is correlated to the LSPR (size and shape of GNPs, hot spots). These results open the way for exploiting valuable and industrial reactions under solar light
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Héron, Sébastien. « Nanostructures pour l'exaltation d'effets non linéaires ». Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLX082/document.
Texte intégralRésumé :
Les sources infrarouges basées sur des effets d'optique du second ordre constituent de très bons outils de spectrométrie des polluants présents dans l'atmosphère, grâce notamment à leur grande accordabilité spectrale. Ils demandent toutefois une forte puissance lumineuse incidente et une grande quantité de matériau non linéaire pour être efficaces. On peut les rendre très compactes en réalisant la conversion de fréquence à l'aide de nanostructures plasmoniques contenant des inclusions diélectriques présentant une susceptibilité du deuxième ordre non nulle. La lumière y est très fortement concentrée à la résonance augmentant fortement la quantité de polarisation non linéaire produite, afin d'y exalter les effets d'optique non linéaire.Ce travail s'attaque d'abord à la conception de nano-résonateurs grâce au développement d'un outil de simulation d’empilements nanostructurés selon une dimension. Trois architectures sont étudiées : les nanorésonateurs de type sillon, les nanorésonateurs de Helmholtz et les guides d'ondes à résonances de modes guidés. Dans chaque cas, le dimensionnement passe par la détermination de géométries bi- voire tri-résonantes pour la réalisation d'accord de modes en génération de second harmonique ou de différence de fréquences.La fabrication en salle blanche des résonateurs sillons et guides d'ondes est ensuite exposée, suite à un important travail de développement technologique, qui a permis l’obtention d’échantillons de très bonne qualitéInfrared sources based on second order effects are interesting tools for atmospheric pollutants spectrometry thanks to their wide tunability. Such effects nevertheless demand strong incident powers or massive non linear crystals to be efficient. A new way to reduce their size consists in realizing frequency conversion with the help of plasmonic nanostructures containing dielectric inclusions showing a non zero second order susceptibility. Light is greatly harvested and concentrated at resonance leading to the creation of a great quantity of non linear polarization, so as to further enhance non linear optics effects.This work begins with a study of nanoresonators through developing a simulation tool for one dimensional nanostructured multilayered structures. Three architectures are retained : slit nanoresonators, optical Helmholtz nanoresonators and waveguides based on guided mode resonances. In every case, the conception focuses on the finding of bi- and even of tri-resonant geometries to achieve mode matching for second harmonic of difference frequency generation.Clean room fabrication is then detailed step by step following the important works that have permitted the fabrication of samples showing a very good quality
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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.
Texte intégralRésumé :
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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Petreto, Alexandra. « Fonctionnalisation optimisée de différentes surfaces par des paires de FRET pour des applications de biodétection en plasmonique et en microfluidique ». Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLS048/document.
Texte intégralRésumé :
La qualité de la prise en charge d’un patient repose sur la disponibilité d’outils diagnostiques performants. Le développement de biocapteurs s’appuyant sur le phénomène de transfert d’énergie par résonance de type Förster permet la détection de biomarqueurs spécifiques avec une grande précision et une bonne sensibilité. Le FRET (Förster Resonance Energy Transfer) est un processus de transfert d’énergie dépendant de la distance fréquemment utilisé dans les applications de biodétection, dans lesquelles les reconnaissances, fonctions et structures biologiques sont de l’ordre de 1 à 20 nm. Cette thèse de doctorat présente la mise en œuvre de procédés de fabrication et de fonctionnalisation pour la détection optique de molécules d’intérêt biologique par FRET, en particulier pour des applications en diagnostic clinique et en séquençage d’ADN.Ce travail présente une étude du phénomène de FRET sur des surfaces d’aluminium fonctionnalisées, première étape du développement d’une plateforme de séquençage par FRET exalté par effet plasmonique. La détection quantitative du phénomène de FRET sur des surfaces d’aluminium fonctionnalisées par silanisation est développée, et les résultats de caractérisation de la fonctionnalisation par différentes méthodes (angle de contact, spectroscopie FTIR, imagerie de fluorescence) sont discutés en détails.Ce manuscrit expose également le développement d’un dispositif microfluidique fonctionnalisé pour la réalisation d’un immunodosage par FRET multiplexé. Dans l’optique de concevoir un dispositif intégré fonctionnalisé pour la détection par FRET en conditions microfluidiques, j’ai développé une stratégie pour la réalisation d’un biocapteur optique microfluidique par FRET multiplexé. Les résultats préliminaires de FRET entre deux anticorps fluorescents dans un canal microfluidique démontrent la faisabilité d’une telle plateforme de biodétectionPatient care quality relies on the availability of efficient diagnostics tools. Development of biosensors based on Förster resonance energy transfer (FRET) allows for the detection of specific biomarkers with high precision and sensitivity. FRET is a distance dependent energy transfer process that is frequently used in biosensing applications, in which biological recognition, functions or structures are within the 1 to 20 nm length scale. This PhD thesis presents the establishment of fabrication and functionalization processes for the optical FRET detection of molecules of biological interest, toward an application in clinical diagnostics and DNA sequencing.This work presents a FRET study on functionalized aluminum surfaces, which is the first step towards the development of a sequencing platform using plasmonics enhanced FRET. Quantitative FRET detection on silanized aluminum surfaces was extensively investigated and the results of different characterization methods (contact angle, FTIR spectroscopy, fluorescence imaging) are discussed in details.This manuscript also describes the development of a functionalized microfluidic device for the realization of a multiplexed FRET immunoassay. With the aim of designing a functionalized integrated device for FRET detection in microfluidic conditions, I developed a strategy for the realization of a microfluidic optical multiplexed FRET biosensor. Preliminary FRET results between two labeled antibodies in a microfluidic channel demonstrate the feasibility of such a biosensing platform
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Coste, Antoine. « Nanocristaux semi-conducteurs : couplage avec des structures plasmoniques à 4 K et effets collectifs ». Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLV066/document.
Texte intégralRésumé :
Les nanocristaux colloïdaux sont des fluorophores semi-conducteurs de taille nanométrique. Fluorescents à température ambiante et synthétisés par voie chimique, ces nanoémetteurs représentent d'excellents candidats pour divers domaines d'application tels que l'éclairage, le marquage biologique ou le photovoltaïque.Mon travail expérimental, s'inscrit dans le développement de ces nanoémetteurs via deux approches différentes : leur couplage avec des nanostructures plasmoniques à 4K et la mise en place de régime d'émission collective.Dans un premier temps, nous avons étudié le couplage de nancoristaux individuels avec des films d'or plan dans le but de réduire les pertes par effet Joule. Tout d'abord, nous nous sommes intéressés à l'influence de la température sur ce couplage. A partir d'expériences de photoluminescence et de simulations numériques effectuées par Gérard Colas des Francs du LCIB, nous avons pu mesurer et simuler une forte diminuation de l'accélération du temps caractéristique d'émission des nanocristaux lorsque la température passe de 300K à 4K. Cette diminution est directement liée à une importante diminution des pertes ohmiques des couches d'or. L'efficacité quantique des nanocristaux est ainsi augementée d'un facteur 3. Ensuite, nous avons étudié l'influence de la cristallinité de l'or sur ce couplage. A nouveau une forte réduction de l'accélération de l'émission des nanocristaux a été mesurée sur or cristallin en comparaison avec des couches d'or amorphe. Ces mesures laissent de nouveau présager une réduction des pertes par effet Joule ainsi qu'une augmentation d'au moins un facteur deux de l'efficacité quantique des nanocristaux.Dans un second temps, nous avons effectué les premières caractérisations d'agrégats de nanocristaux enrobés dans une coquille de silice. A température ambiante, nous avons mis en évidence la présence d'interaction de type FRET entre les nanocristaux émettant dans le bleu et les nanocristaux émettant dans le rouge. Cette interaction permet ainsi une accélération de l'émission globale des agrégats. A 4K, nous avons observé une modification de la dynamique d'émission des agrégats avec l'apparition de deux échelles de temps différentes. Pour les temps courts, la dynamique d'émission est accélérée et est régie par la recombinaison de l'exciton. Pour les temps longs, la dynamique d'émission est régie par une loi de puissance traduisant ainsi l'apparition de temps caractéristiques d'émission extrêmement longsColloidal semiconductor nanocrystals are fluorescent semiconductors with a nanometric size. Bright at room temperature and chemically synthesized, nanocrystals are interesting candidates for differents applications as lighting, biological labeling or photovoltaic.My experimental work, is part of the development of these emitters by two differents approaches : coupling with plasmonic structures at 4,K and formation of collective emission.First, we studied the coupling between single nanocrystals and a flat gold film in order to decrease the optical losses. To begin we studied the influence of the temperature. With some photoluminescence measurements and some simulations, we show significant decrease of the enhancement of the photoluminescence decay rate at 4,K. This reduction is linked to the decrease of optical losses. Then, we studied the influence of crystallinity of gold. We show again an important reduction of enhancement of the photoluminescence decay rate with crystalline gold compared to amorphous layer.Second, we investigated the optical properties of compact nanocrystal clusters encapsulated in a silica shell. At room temperature, we observed an enhancement of the photoluminescence decay rate through Förster resonance energy transfer (FRET). At 4K, we measured an important variation of the emission dynamic with emergence of two times scales. At short time scale, emission is accelerated and governed by the exciton recombination. At long time scale, the decay is governed by power law showing the emergence of long-lived states
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Halagacka, Lukas. « Theoretical and experimental study of novel integrated magnetoplasmonic nanostructures ». Thesis, Paris 11, 2014. http://www.theses.fr/2014PA112279/document.
Texte intégralRésumé :
Ce travail porte sur l’exaltation de l’effet magnéto-optique (MO) Kerr transverse induite par des «résonances extraordinaires» dans un réseau d’or périodique 1D déposé sur un oxyde de grenat magnéto-optique. La structure complète incluant le réseau métallique 1D a été conçue, simulée numériquement, dimensionnée, fabriquée puis caractérisée. Un algorithme de type RCWA (Rigorous Coupled Wave Algorithm) adapté au calcul parallèle a été développé et utilisé d’une part pour l’étude théorique des modes résonants dans les réseaux magnétoplasmoniques et d’autre part pour l’analyse des données de mesures optiques et magnéto-optiques d’ellipsométrie à base de matrices de Mueller. L’impact sur la réflectivité angulo-spectrale du couplage entre les modes Fabry-Pérot des fentes du réseau et les plasmons de surface à l’interface entre l’or et la couche de grenat MO est ainsi étudié, en utilisant les paramètres optiques et magnéto-optiques réels des matériaux. Pour cela, les caractéristiques optiques du substrat en sGGG (grenat de gallium et gadolinium dopé CaMgZr) et du matériau Bi:GIG (grenat de fer et de gadolinium substitué bismuth) sont au préalable déterminés dans la gamme spectrale 0,73 – 6,42 eV (193 nm-1,7 μm) par ellipsométrie à base de matrices de Mueller. Puis de même la dispersion des composantes magnéto-optiques du tenseur diélectrique est obtenue en appliquant un champ magnétique externe dans le plan, en configuration longitudinale ou transverse. Ces données mesurées sont alors utilisées dans les simulations. Il est ainsi démontré numériquement que grâce à l’interaction des résonances de surface et de cavité dans le réseau 1D l’effet Kerr transverse peut être exalté, éteint ou même de signe inversé, et cela sans renverser ou modifier l’aimantation de la couche magnéto-optique. Pour confirmer les résultats théoriques, une série d’échantillons comportant des réseaux de fentes différentes a été fabriquée par lithographie électronique et procédé de lift-off. Afin de reproduire les données des matrices de Mueller mesurées, les modèles ont été adaptés et optimisés pour tenir compte des imperfections des structures réelles. Les mesures expérimentales confirment l’exaltation de l’effet Kerr magnéto-optique transverse due aux effets magnéto-plasmoniques et prouvent la validité des modèlesThis work studies the enhancement of the transverse magneto-optical Kerr effect by exploiting extraordinary resonances occurring in 1D periodic grating. The 1D periodic gold grating structure was designed, described, numerically simulated, and fabricated. A rigorous Coupled Wave Algorithm (RCWA) developed for parallel computing is used for the theoretical study of resonant modes in magnetoplasmonic gratings and for analysis of optical and magneto-optical data measured by Mueller matrix ellipsometry. The impact of coupling between Fabry-Perot modes inside grating air-gaps and surface plasmon mode at the interface between gold and MO garnet layer is studied via spectra of specular reflectivity and for the various angles of incidence. In a first step, the optical functions of the (CaMgZr)-doped gallium-gadolinium garnet (sGGG) substrate and the Bi-substituted gadolinium iron garnet (Bi:GIG) are obtained in the spectral range from 0.73 eV to 6.42 eV (wavelength range 193 nm – 1.7 μm). Subsequently, the spectra of the magneto-optical tensor components are obtained by applying an external in-plane magnetic field in longitudinal and transverse geometry. The obtained functions are then used for numerical simulations demonstrating that by hybridization of surface and cavity resonances in this 1D plasmonic grating, the transverse Kerr effect can be further enhanced, extinguished or even switched in sign and that without inverting or modifying the film's magnetization. To confirm theoretical results a set of samples, gratings with a different width of an air-gap, was fabricated using electron beam lithography and liftoff technique. To be able to reproduce Mueller matrix data from the samples, the models describing realistic structures were further developed and optimized. Experimental measurements of real structures confirm transverse MO effect enhancement using magnetoplasmonic effects and prove applicability of numerical models
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Vedraine, Sylvain. « Intégration de nanostructures plasmoniques au sein de dispositifs photovoltaïques organiques : étude numérique et expérimentale ». Phd thesis, Aix-Marseille Université, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00799088.
Texte intégralRésumé :
Les cellules solaires en couches minces permettent de produire de l'énergie à bas-coût et sans émission de gaz à effet de serre. Dans le but de réaliser des dispositifs toujours plus performants, nous étudions l'impact de l'intégration de nanostructures métalliques (NSs) au sein de cellules solaires organiques (CSO). Ces NSs peuvent alors générer des effets diffusifs et des résonances issues de plasmons de surface. A l'aide d'un modèle numérique FDTD, nous démontrons que l'ingénierie plasmonique peut servir à augmenter l'absorption dans le matériau photoactif tout en limitant l'énergie perdue sous forme de chaleur dans les NSs. L'influence de paramètres opto-géométriques de structures associant matériaux organiques et effets plasmoniques est étudiée (diamètre, position des particules dans la couche et période du réseau de particules sphériques). Expérimentalement, des NSs d'argent ont été réalisées par évaporation sous vide puis intégrées dans des couches organiques. Nous avons mesuré une exaltation de l'absorption optique dans la gamme spectrale utile à la photo-conversion. Trois architectures différentes de CSO plasmonique ont été fabriquées et caractérisées par MEB, TEM et ToF-SIMS, puis modélisées, permettant d'identifier des verrous technologiques et de proposer des pistes d'amélioration. Nous avons aussi intégré des NSs au sein d'un empilement transparent et conducteur de type oxyde/métal/oxyde, dans le but de remplacer l'électrode classique en oxyde d'indium et d'étain d'une CSO. Le rôle de chaque couche de l'empilement sur le comportement optique de l'électrode est discuté. Les épaisseurs des couches d'une électrode de type ZnO/Ag/ZnO ont été optimisées.
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Rogez, Benoit. « Excitation électrique locale de nanostructures plasmoniques par la pointe d'un microscope à effet tunnel ». Thesis, Paris 11, 2014. http://www.theses.fr/2014PA112383/document.
Texte intégralRésumé :
Nous utilisons un microscope à effet tunnel (STM) associé à un microscope optique inversé pour l’excitation et la détection des plasmons de surface propagatifs et/ou localisés. L’excitation de ces plasmons est assurée par passage d’un courant tunnel inélastique entre la pointe du STM et la surface d’un film métallique mince (épaisseur de 50 nm) d’or ou d’argent déposé sur une lamelle de verre. Les fuites radiatives des plasmons de surface propagatifs et la lumière émise par les plasmons localisés dans le substrat de verre sont collectées par un microscope optique via un objectif à immersion. Il est alors possible de déterminer à la distribution spatiale et angulaire des émissions issues de ces plasmons de surface excités par STM, ainsi qu’à leur distribution en longueurs d’onde. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés au fonctionnement et à l’émission de lumière sous la pointe d’un microscope à effet tunnel fonctionnant à l’air. Nous montrons que la présence d’eau adsorbée au sein de la jonction tunnel, associée à la boucle d’asservissement du STM induit un mode de fonctionnement oscillant et périodique du STM sans lequel il serait difficile d’exciter les plasmons de surface. Ensuite, nous avons montré qu’il est possible de contrôler la directivité des plasmons de surface propagatifs excités par STM en excitant localement un nanofil d’or déposé sur le film d’or. L’étude détaillée de cette directivité nous a permis de démontrer que, contrairement au cas du nanofil d’or déposé sur verre, un nanofil d’or déposé sur film d’or ne se comporte pas comme un résonateur Fabry Pérot. Nous avons proposé un modèle simple dans lequel le nanofil est assimilé à un réseau linéaire d’antennes. Ce modèle permet de rendre compte des structurations spectrales et spatiales des plasmons de surface sur le film d’or résultant de l’ajout du nanofil d’or. Puis, nous avons étudié le couplage entre des nanofibres organiques fluorescentes (structures excitoniques) et les plasmons de surface propagatifs d’un film métallique d’or ou d’argent sur lequel ces nanofibres sont déposées. Nous avons ainsi montré que (i) la fluorescence de la nanofibre peut exciter des plasmons de surface à la surface du film d’or, (ii) la nanofibre organique agit comme un guide d’onde plasmonique et (iii) qu’il est possible d’injecter des plasmons de surface propagatifs du film excités par STM dans ces modes guidés par la nanofibre. D’autre part, en étudiant la figure d’interférences dans le plan de Fourier, nous avons pu confirmer que l’émission du dipôle sous la pointe STM et les plasmons de surface propagatifs excités par STM sont cohérents, donc issus du même événement tunnel. Enfin, nous discutons les effets du couplage entre des nanocristaux semiconducteurs (quantum dots) individuels et un monofeuillet de graphène. Nous montrons que la présence du graphène réduit d’un facteur ~10 la durée de vie de l’état excité des quantum dots déposés sur graphène par rapport aux quantum dots déposés sur verre. Pour les quantum dots déposés sur graphène, il résulte de cette réduction de la durée de vie de l’état excité, une baisse de l’intensité de fluorescence et une réduction du phénomène de scintillement avec un temps de résidence dans un état brillant globalement plus long que pour les quantum dots déposés sur verre. Les différents résultats obtenus au cours de cette thèse permettent de mieux comprendre l’excitation de plasmons de surface avec un microscope à effet tunnel, le couplage entre nanostructures plasmoniques et le couplage entre une structure plasmonique et une nanostructure excitonique. Ils ouvrent des perspectives intéressantes pour le développement de nanodispositifs hybrides plus complexes liants plasmons et excitons et contrôlés électriquementWe use a scanning tunnelling microscope (STM) to excite propagating and/or localised surface plasmons on a thin metallic film (50 nm thick) made of gold or silver deposited on a glass substrate. The leakage radiation of these STM-excited propagating surface plasmons, and the light emitted by localized plasmons into the glass substrate are collected by an inverted optical microscope equipped with an oil immersion objective. Using this setup, it is possible to image both the spatial and angular distribution of the light emitted into the glass substrate on a cooled-CCD. Sending this light to a spectrometer, it is also possible to obtain the wavelength distribution of these STM-excited plasmons. In this manuscript, we discuss the different operation modes of an STM in air. We show that the thin water layers adsorbed on both the STM tip and sample, along with the STM feedback loop, may give rise to an oscillatory mode of operation. Moreover, this mode turns out to be the most efficient one for plasmon excitation with a STM in air. We then show that, when the STM tip is used to locally excite plasmons on a gold nanowire deposited on a gold film, propagating surface plasmons may be preferentially launched along the nanowire axis. Precise understanding of this directivity allows us to demonstrate that, when deposited on a gold film, gold nanowires do not behave as Fabry-Perot resonators, but may be described quite accurately with a one dimensional antenna array model. With this model, it is thereby possible to explain the complex spatial and spectral characteristics of the STM-excited plasmons on the gold film after the addition of the nanowire. Next, we focus on the coupling between fluorescent organic nanofibres (excitonic nanostructures) and propagating surface plasmons on a metallic film (either gold or silver). We show that when the nanofibres are deposited on the metallic film, (i) their fluorescence can excite propagating surface plasmon, (ii) the nanofibre can act as a plasmonic waveguide, and (iii) it is possible to inject surface plasmons propagating onto the metallic film into the guided plasmonic modes of the nanofibre. Moreover, by studying Fourier space images, we confirmed that the vertical dipole localised under the STM tip and the STM-excited propagating surface plasmons are coherent. We finally study the coupling between individual semiconducting nanocrystals (quantum dots) and a graphene monolayer deposited on a glass substrate. We show that, when deposited on graphene, the fluorescence lifetime of the quantum dots is about 10 times shorter than for the quantum dots deposited on bare glass. This leads to a weaker fluorescence signal and reduced blinking behaviour with longer time spent into a bright state. These results improve our understanding of the STM excitation of surface plasmons. They also provide information on the coupling between plasmonic nanostructures and between plasmonic and excitonic entities. in particular, these results are a promising step toward the conception and the realisation of complex electrically driven hybrid plasmonic/excitonic nanodevices
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Mathew, Sandy. « Exaltation de la réponse optique nonlinéaire du second ordre dans des nanostructures plasmoniques hybrides ». Electronic Thesis or Diss., Université Grenoble Alpes, 2023. http://www.theses.fr/2023GRALY097.
Texte intégralRésumé :
Un circuit intégré photonique (CI) idéal devrait avoir des composants capables d'effectuer l'amplification, le traitement du signal, les opérations de porte logique et plusieurs fonctions équivalentes à celles d'un CI électronique, le tout intégré dans un espace de quelques millimètres. Pour réaliser une telle circuit, l'utilisation de différents matériaux adaptés à des fonctions différentes est inévitable. Parmi eux, les matériaux optiques non linéaires sont cruciaux en tant que source potentielle de photons uniques ou doubles. Cependant, lorsqu'on réduit la taille d'un matériau non linéaire à l'échelle nanométrique, il devient nécessaire d'amplifier l'excitation et l'émission par le biais d'interactions résonantes pour compenser la perte d'efficacité non linéaire due à la réduction du volume. Dans cette étude, en combinant la nanofabrication de structures plasmoniques et non linéaires (hybrides), un dispositif expérimental polyvalent et une simulation numérique quantitative des processus de génération du second harmonique (SHG) et de fluorescence paramétrique (SPDC) du second ordre, il est possible d'obtenir une compréhension complète de ces interactions non linéaires et de leur efficacité dans nos systèmes. L'un des principaux objectifs de ce travail consiste donc à étudier l'origine du SHG à partir de nanostructures en or afin d'identifier la source non linéaire dominante. Cela permet d'éclaircir et de distinguer entre les conclusions incompatibles présentées dans la littérature. Notre enquête suggère que, parmi les trois principales sources non linéaires invoquées dans la littérature, la source en surface parallèle et normale et la source en volume non local, la source en volume non local et en surface parallèle domine la réponse, tandis que la source en surface normale s'est révélée négligeable contrairement à la plupart de la littérature. Un deuxième objectif de ce travail de thèse était d'atteindre un taux d'émission expérimentalement observable de paires de photons SPDC en utilisant des structures hybrides, ce qui n'avait pas été possible jusqu'à présent. En optimisant par calcul numérique les tailles des nanoantennes plasmoniques, on améliore le taux de paires de photons grâce à l'interaction résonante, et en combinant cela avec un matériau présentant une meilleure non-linéarité, tel que le phosphure de gallium (GaP), on augmente le taux d'un ordre de grandeur par rapport à avant. La forme de nanofils de GaP et les variations structurelles de ce matériau nous ont permis de développer un protocole expérimental de fabrication de structures hybrides basé sur leurs réponses SHG distinctives. Ainsi, cela ouvre de nouvelles possibilités pour des sources de paires de photons intégrées à l'échelle nanométriqueAn ideal all photonic integrated circuit (IC) requires components that perform amplification, signal processing, logic gate operations and several equivalent functions of an electronic IC packed in to a space of few millimeters. To achieve such a feat, use of different materials adapted to different functions is inevitable. Among them, nonlinear optical materials are crucial as a potential source of single or twin-photons. However, when reducing size of a nonlinear material to nanoscale, enhancing the excitation and emission through resonant interactions becomes a prerequisite to balance the drop in nonlinear efficiency due to volume reduction. In this study, by combining nanofabrication of plasmonic and nonlinear (hybrid) structures, a versatile experimental setup and quantitative numerical simulation of both second harmonic generation (SHG) and spontaneous parametric down conversion (SPDC) second order processes, a comprehensive understanding of these nonlinear interactions and their efficiency in our systems is possible. One of the primary objectives of this work, therefore, consists in studying the origin of SHG from gold nanostructures in order to identify the dominant nonlinear source. It allows to shed some light on and discriminate between incompatible conclusions presented in the literature. Our investigation suggests that, of the three main nonlinear sources invoked in the literature, namely, parallel and normal surface source and non-local bulk source, non-local bulk and parallel surface source dominates the response while normal surface was found to be negligible contrary to most literature. A second objective of this thesis work was to achieve experimentally observable SPDC photon pair emission rate using hybrid structures which has not been possible to date. While optimising the plasmonic nanoantennas theoretically improves the photon pair rate due to resonant interaction, combining it with a material of better nonlinearity such as gallium phosphide (GaP) increases the rate to an order of magnitude higher than before. The nanowire form of GaP and the structural variations of this material, as a result, leads us to develop an experimental protocol of hybrid structure fabrication based on their distinctive SHG responses. Thus, it opens up novel possibilities for integrated nanoscale photon pair sources
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Bouchon, Patrick. « Ingénierie d'indice optique à base de nanostructures métalliques ». Phd thesis, Palaiseau, Ecole polytechnique, 2011. https://pastel.hal.science/docs/00/64/20/68/PDF/Memoire_PBouchon_17112011.pdf.
Texte intégralRésumé :
Les nanostructures métalliques sont le siège de résonances plasmoniques qui permettent de confiner le champ électromagnétique et de contrôler la lumière à une échelle très sublongueur d'onde. Les travaux de cette thèse portent en premier lieu sur la conception de structures plasmoniques agissant en absorption. Dans cette thèse, j'ai dimensionné, fabriqué et caractérisé des résonateurs métal / isolant / métal verticaux (sillons à grand rapport d'aspect) qui présentent une absorption totale dans l'infrarouge. Par ailleurs, j'ai étudié le couplage fort dans ces résonateurs qui mène à de très grands facteurs de qualité. Je montre qu'on peut également coupler plusieurs résonateurs pour faire du tri de photons et de l'absorption large bande. D'autre part, les systèmes plasmoniques deviennent plus complexes, et leur dimensionnement rapide passe par une réduction du temps de calcul. J'ai développé une méthode modale basée sur les B-splines qui permet, grâce à l'utilisation de matrices creuses, d'accélérer les calculs. De telles méthodes peuvent être utilisées conjointement avec un algorithme métaheuristique pour dimensionner des fonctions optiques, par exemple un absorbant large bande ou un filtre passe bandePlasmonic nanostructures are supporting plasmonic resonances which allow to confine the electromagnetic field and to govern the light behavior at a subwavelength scale. This thesis first deals with absorbing plasmonic structures. I have simulated, fabricated and characterized vertical metal / insulator / metal resonators (high aspect ratio grooves) which exhibit a total absorption in the infrared range. Besides, I have study the strong coupling regime in these resonators which led to very high quality factor. I show that it is also possible to couple several resonators to achieve photon sorting or widening of the absorption band. Furthermore, plasmonic devices are getting more and more complex, and their fast design can be achieved through a reduction of the computation time. I developed a modal method based on B-splines which allows, thanks to sparse matrices, to hasten the computations. Such methods can be used with a metaheuristic algorithm for the design of optical functions, e. G. A wide band absorber or a bandpass filte
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Leroux, Yann. « Electrochimie sur surfaces nanostructurées et nanoélectrochimie : dces dispositifs plasmoniques actifs aux contacts atomiques ». Paris 7, 2007. http://www.theses.fr/2007PA077234.
Texte intégralRésumé :
Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à démontrer une partie des potentialités que l'électrochimie sur surfaces nanostructurées peut apporter tant dans le domaine de la plasmonique que dans celui de la réalisation de contact atomique. Le premier chapitre de ce manuscrit décrit la réalisation de dispositifs plasmoniques actifs. Il met en évidence l'intérêt des propriétés redox de polymères conducteurs pour moduler et/ou commuter les résonances plasmons de surface localisés de nanoparticules d'or, dans des configurations de type réseau ou colloïdal. Dans une deuxième partie, le développement d'un système de gravure assistée par Microscope à Force Atomique (AFM) a été entrepris. Cette technique permet la fabrication de structures variées, à l'échelle sub-micrométrique et nanométrique, pour des applications dans le domaine de la plasmonique, comme de l'électrochimie à l'échelle nanométrique. La dernière partie montre tout l'intérêt que peut avoir l'électrochimie pour fabriquer des contacts atomiques. Le phénomène de quantum de conductance a été étudié sur ces contacts obtenus à partir de nanofils de cuivre. Cette étude a mis en évidence le rôle de l'adsorption moléculaire. Enfin, l'utilisation de cyclodextrines, dans le milieu électrolytique de croissance des contacts atomiques, semble aboutir à leur encapsulation et protection, vis-à-vis de molécules interagissant fortement avec le cuivreIn this work we were interested in demonstrating some of the potentialities of electrochemistry on nanostructured surfaces in the field of plasmonics and in the realization of atomic contacts. The first chapter of this manuscript describes the creation of active plasmonic devices. It underlines how the redox properties of conducting polymers can modulate and/or commutate localized surface plasmon resonances of gold nanoparticles (network or colloidal solution). In the second part, an engraving System assisted by Atomic Force Microscopy (AFM) was developed. This technique allows the production of varied structures, on sub-micrometric and nanometric scales, for applications in the field of plasmonics and for nanoscale electrochemistry. The last part shows how electrochemistry can be used to obtain atomic contacts. The phenomenon of quantum conductance was studied on contacts obtained with copper nanowires and its variations with molecular adsorption were demonstrated. To protect the contact and to make it more stable, the use of cyclodextrins in the electrolytic growth medium appears to lead to its encapsulation and protects it against molecules interacting strongly with copper
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Bouchon, Patrick. « Ingénierie d'indice optique à base de nanostructures métalliques ». Phd thesis, Ecole Polytechnique X, 2011. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00642068.
Texte intégralRésumé :
Les nanostructures métalliques sont le siège de résonances plasmoniques qui permettent de confiner le champ électromagnétique et de contrôler la lumière à une échelle très sublongueur d'onde. Les travaux de cette thèse portent en premier lieu sur la conception de structures plasmoniques agissant en absorption. Dans cette thèse, j'ai dimensionné, fabriqué et caractérisé des résonateurs métal / isolant / métal verticaux (sillons à grand rapport d'aspect) qui présentent une absorption totale dans l'infrarouge. Par ailleurs, j'ai étudié le couplage fort dans ces résonateurs qui mène à de très grands facteurs de qualité. Je montre qu'on peut également coupler plusieurs résonateurs pour faire du tri de photons et de l'absorption large bande. D'autre part, les systèmes plasmoniques deviennent plus complexes, et leur dimensionnement rapide passe par une réduction du temps de calcul. J'ai développé une méthode modale basée sur les B-splines qui permet, grâce à l'utilisation de matrices creuses, d'accélérer les calculs. De telles méthodes peuvent être utilisées conjointement avec un algorithme métaheuristique pour dimensionner des fonctions optiques, par exemple un absorbant large bande ou un filtre passe bande.
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Niberon, Yann. « Hyperspectral Plasmonic Biosensor for Dengue Virus Detection ». Electronic Thesis or Diss., Troyes, 2021. http://www.theses.fr/2021TROY0041.
Texte intégralRésumé :
La résonance des plasmons de surface (SPR en anglais) est une technique utilisée pour détecter certaines liaisons chimiques spécifiques et leurs évolutions dans le temps avec une sensibilité et une spécificité élevée. L’objectif de ce projet est de proposer un biocapteur SPR en hyperspectral et compact pour détecter le virus de la dengue. Basé sur un système statique avec des réflexions sur des surfaces paraboliques et utilisant une source de lumière blanche, dans la configuration de Kretschmann il a été possible de réaliser simultanément une interrogation angulaire et spectrale pour générer une image hyperspectrale donnant en temps réel une cartographie de la réflectance dans les deux axes. L'aspect instantané de la technique permet d'étudier l'évolution des conditions de résonance avec une variation de l'indice de réfraction d'une solution testée en temps réel pour une certaine gamme d'angles incidents dans le spectre visible. Une étude cinétique des liaisons chimiques est réalisée sur le virus de la Dengue de type 2 (DENV-2) au travers de son anticorps Immunoglobuline G (IgG1) associé. Lors de la caractérisation de cette technique, il a été possible d’atteindre une sensibilité pour détecter un décalage d'indice de réfraction d'ordre 10-5 RIU (refractive index unit). La particularité de cette conception pour un biocapteur SPR par rapport au système plus conventionnel est l'aspect tridimensionnel (angulaire, spectral et temporel) déterminant les conditions de résonance sans qu'il soit nécessaire de fixer l'un des trois paramètres : angle d'incidence, longueur d'onde ou tempsSurface plasmon resonance (SPR) is a technic use to detect specific chemical binding and their evolution through time with high sensitivity and specificity. The objective of this project is to propose a compact hyperspectral SPR bio-sensor to detect Dengue virus. Based on a static system with reflection over parabolic surfaces and using white light source, in the Kretschmann configuration it was possible to realise simultaneously an angular and spectral interrogation to generate a hyperspectral image that gives us in real time a mapping of the reflectance along two axes. The real time aspect allows to study the evolution the resonance condition from the variation of the refractive index of a solution tested through time in a certain range of incident angle in the visible spectrum. A kinetic study of chemical bindings was realized with the Dengue virus Type 2 (DENV-2) with its Immunoglobulin G antibody (IgG1). During the calibration of this technic, it was reached a sensitivity to detect a refractive index shift within an order of 10-5 RUI (refractive index unit). The advantage of this SPR bio-sensor design compare to conventional system is the three-dimensional aspect (angular, spectral and temporal) to determine the resonance condition without the need to fix one of the three parameters: incident angle, wavelength and time
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Eloi, Fabien. « Étude de la luminescence de nanocristaux semi-conducteurs couplés avec des structures plasmoniques à températures ambiante et cryogénique ». Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLV117/document.
Texte intégralRésumé :
Les nanocristaux semi-conducteurs colloïdaux possèdent des propriétés photo-physiques qui en font des objets de choix pour des applications variées, comme le marquage biologique, le photovoltaïque ou encore l'optique quantique. Dans cette thèse, nous étudions les modifications, introduites par des réseaux d'or, de la fluorescence de nanocristaux CdSe/CdS à coquille épaisse. Nous présentons tout d'abord les propriétés fondamentales de ces nanocristaux de CdSe/CdS puis la manière dont leurs propriétés d'émission peuvent être contrôlées par l'environnement électromagnétique, en détaillant en particulier le cas d'un couplage avec des plasmons de surface. Des simulations réalisées par nos collaborateurs du LICB dans le cadre d'un projet ANR sont ensuite comparées à nos mesures expérimentales. Nous observons que le couplage des nano-émetteurs individuels au réseau d'or permet à la fois d'accélérer l'émission spontanée et de mieux la collecter. Les structures métalliques sont optimisées pour que les améliorations détectées soient peu sensibles à la position de l'émetteur. Un effet supplémentaire est le contrôle de la polarisation de l'émission qui se révèle être fixée pa r le réseau. Nous rapportons également des changements dans la statistique temporelle d'émission des photons et notamment la suppression totale du scintillement. Les métaux étant connus pour leurs pertes ohmiques, des expériences ont été réalisées pour montrer que les pertes non radiatives qu'elles entraînent peuvent être réduites à basse température. Nous avons examiné le cas d'une surface d'or plane ainsi que des réseaux linéaires et circulaires. Enfin, une nouvelle méthode de post-traitement a été développée en parallèle. Elle permet par exemple d'étudier les variations de l'efficacité quantique bi-excitonique dans des nanocristaux enrobés d'or suivant l'état de charge de l'émetteurColloidal semiconductor nanocrystals are fluorescent nano-objects exhibiting discrete energy levels which justify their second appellation: quantum dots (QDs). Due to their high efficiency and ease of use, they find potential applications in a wide range of fields. Their usefulness for biological labeling, optoelectronic components in flat screens, light harvesting or quantum optics has been demonstrated by many studies. In this thesis, we use gold gratings in order to modify the emission properties of CdSe/CdS core-shell nanocrystals. After a brief presentation of their electronic and fluorescence properties, we explain how those properties can be modified by the control of the electromagnetic environment with particular care to the case of surface plasmons. We then show through experiment and simulations that those plasmons enable better collection efficiency, faster photo-luminescence decay rates, and polarized emission without being particularly restricting towards QD positioning. Changes in the emission statistics are also observed, notably total suppression of the blinking in the fluorescence intensity. Further experiments at low temperature have been realized in order to assess the importance of the gold ohmic losses. We investigated the case of a flat gold film as well as linear and circular gratings. A new post-selection method is also introduced and used to study the variations of the bi-excitonic quantum yield for nanocrystals embedded in a gold nano-resonator as a function of the ionization state of the emitter
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Sarkar, Mitradeep. « Hybrid surface plasmon modes in metallic nanostructures : Theory, numerical analysis and application to bio-sensing ». Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2015. http://www.theses.fr/2015SACLS251/document.
Texte intégralRésumé :
Les Plasmons de surface à l’interface d’un métal et d’un diélectrique sont des oscillations collectives des électrons libres. Pour une interface plane, les plasmons se manifestent comme des champs électromagnétiques évanescents, confinée à quelques centaines de nanomètres de la surface métallique et se propagent le long de l'interface. Ce mode plasmonique, appelé plasmon propagatif de surface (PSP), est un mode fondamental. D’autres modes fondamentaux, non-propagatifs, sont appelé plasmons localisés (LSP) et apparaissent dans les nano-particules métalliques. Dans ce travail, nous avons calculé analytiquement la polarisabilité de géométries métalliques complexes et les résultats obtenus permettent d’expliquer les conditions de résonance des différents modes plasmoniques.Parmi les divers modes plasmoniques, plusieurs modes fondamentaux ont été étudiés en détail et décrits par une formulation analytique. Tout d’abord, dans un réseau binaire de lignes métalliques, des plasmons propagatifs confinés par la dimension finie des lignes sont générés. Ce mode plasmonique est appelé plasmons propagatifs confinée (CPP). D’autre part, dans des réseaux périodiques de nano-particules métalliques, déposées sur un film métallique, des modes de Bragg (BM) sont excités par la diffraction des PSP. De plus, dans de telles structures, un couplage harmonique entre les LSP des nano-particules et le PSP du film métallique sous-jacent se traduit par l’apparition d’un mode hybride (HLP). Les caractéristiques de ce mode hybride pour un réseau de nano-cylindres métalliques sur un film métallique sont présentées en détails, en particulier son intérêt en bio-détection.L'effet du milieu diélectrique environnant sur les modes plasmoniques est utilisé dans les détecteurs basés sur la résonance des plasmons de surface (SPR). Ces systèmes mesurent le décalage de la résonance d’un mode plasmonique, qui est fonction de l’indice de réfraction du milieu diélectrique. L’un des buts de ce travail est d'optimiser les détecteurs SPR pour des expériences typiques sondes – cibles où les molécules sonde sont greffées à la surface du capteur. Nous avons montré que par une fonctionnalisation sélective de la surface métallique, une amélioration de la performance de détection peut être obtenue en terme de quantité de molécules cibles détectable. L'amélioration de champ proche joue aussi un rôle majeur dans les techniques de diffusion Raman exaltée de surface (SERS). La présence de certains des modes plasmoniques étudiés dans les substrats nano-structurés permet d’augmenter significativement l'intensité du signal SERS.Pour réaliser ce travail, des méthodes numériques adaptées à la géométrie particulière des structures étudiées ont été développés pour calculer les distributions des champs proches et lointains dans ces structures. Les caractéristiques de ces modes plasmoniques ont été mesurés expérimentalement et leurs performances en détection SPR ont été démontrées en utilisant une configuration basée sur une interrogation angulo-spectrale en configuration de Kretschmann. Des expériences de SERS ont également été réalisées en collaboration avec le CSPBAT à Paris 13. Les différentes structures ont été fabriquées par lithographie électronique à l’IEF à Paris 11. Les résultats expérimentaux concordent avec les résultats numériques et analytiques.Cette description détaillée des modes plasmoniques offre une compréhension plus complète du phénomène de résonance des plasmons de surface dans les nanostructures métalliques et permet d’optimiser les structures selon l’application souhaitée. Le modèle présenté dans ce travail est relativement général et peut être utilisé pour décrire les propriétés électromagnétiques de différentes géométries et configurations expérimentales. De la représentation complète des modes plasmoniques, différents aspects des interactions photons-plasmons peuvent ainsi être étudiésThe surface plasmons on metallic surfaces are excited by the collective oscillations of free electrons. They satisfy certain resonance conditions and their dispersion can be considered as modes of the system. The plasmons at uniform metal-dielectric interfaces manifest as evanescent electromagnetic (EM) fields confined to a few hundreds of nanometers from the metallic surface and propagate along the interface. This mode is called the Propagating surface plasmon (PSP) and is a fundamental plasmonic mode. The other fundamental modes, which are non-propagative, results from collective oscillations of free electrons on curved surfaces of metallic nano-particles. They are called localized surface plasmon (LSP) modes. We have shown that the polarizability of complex geometries with an underlying substrate can be calculated analytically and the results obtained closely approximate the resonance conditions for such geometries.In this work, various other plasmonic modes originating from the two fundamental modes were studied in details and described by their corresponding analytical formulation. In a binary metallic arrays on glass substrate, plasmonic modes are excited by diffraction orders, called the Wood-Rayleigh modes (WRM). In metallic strips the PSP is confined by the finite edges of the strips and propagate along the length of the strips, called the confined propagating plasmons (CPP).For arrays of metallic nano-particles on a metallic film, the Bragg modes (BM) are excited by diffraction of the PSP. In such structures the LSP of the nano-particles and the PSP of the film can undergo a harmonic coupling to give rise to the hybrid lattice plasmon (HLP). The characteristics of the HLP mode for an array of metallic nano-cylinders on a metallic film is presented in details.The effect of the surrounding medium on the plasmonic modes is used in surface plasmon resonance (SPR) detectors which probe the shift in resonance condition of the modes. Such shift is dependent on the intrinsic dispersion of the modes. The aim of this work is to optimize the SPR detectors for affinity biosensing where probe and analyte molecules are bound to the metallic surface. We have shown that by selective functionalization of the metallic biochip surface, an enhancement of the performance of such detection can be achieved in terms of the amount of analyte used. Also the near field enhancement plays a major role in surface enhanced Raman scattering (SERS). We have shown that the presence of certain modes in the system can enhance the recorded SERS intensity.Rigorous numerical methods, adapted to the particular geometry under study, were developed to compute the near and far field characteristics of different structures. The experimental excitation of the modes and their application in SPR detection was demonstrated using a setup based on a spectral scanning modality operating in the Kretschmann configuration. The various structures were fabricated on a biochip using e-beam lithography at IEF, University Paris Sud and the reflectivity dispersion from the biochip was recorded. Such experimental results were shown to be in close agreement with the theoretical results. SERS experiments were carried out in collaboration with CSPBAT at University Paris 13 and the results were seen to fit closely the theoretically predicted trends.Such detailed description of plasmonic modes can offer a complete understanding of the surface plasmon resonance phenomenon in metallic structures and be optimized as per required for various applications. The theories presented in this work can be used to effectively describe the EM properties of different geometries and experimental configurations. From a comprehensive representation of plasmonic modes, different aspects of the photon-plasmon interactions can thus be elucidated
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Abisset, Antoine. « Etude des corrélations entre les propriétés morphologiques, structurales et plasmoniques au cours de la croissance de nanoparticules d'or sur TiO2(110) ». Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018GREAY018/document.
Texte intégralRésumé :
Cette thèse porte sur l’étude d’un système modèle de nanoparticules (NP) d’or supportées sur TiO2(110) en vue de mieux comprendre la corrélation entre propriétés morphologiques, structurales et de résonances plasmoniques locales (LSPR) des NP. Des mesures in situ de diffusion de rayons X en incidence rasante à grands angles (GIXD) et à petits angles (GISAXS) et de spectroscopie de réflectance différentielle de surface (SDRS) ont été réalisées pendant la croissance des NP déposées par épitaxie par jet moléculaire en ultra-vide.L’étude du LSPR par SDRS, avec décomposition des signaux en polarisation s et p et réalisée simultanément avec le GISAXS, a permis de relier la variation de la fréquence de résonance des NP à celle de leur diamètre moyen, dans la gamme de 2 à 6 nm.De manière générale, la position du pic plasmonique dérive vers le bleu avec la diminution de la taille des NP mais avec un comportement qui dépend de l’état de surface des substrats. Dans un cas, les polarisations s et p suivent la même variation alors que dans l’autre non. Cet effet a été analysé en décomposant la fréquence plasmon en modes dipolaires parallèle (A//, qui contribue aux deux polarisations s et p) et perpendiculaire (Az, qui contribue à la seule polarisation p) à la surface.Lorsque A// domine (positions des pics plasmoniques s et p identiques, pour une taille donnée de NP), la position en longueur d’onde du pic plasmonique dérive vers le bleu avec la diminution de la taille de la même façon que pour des NP enterrées. Cet effet de taille intrinsèque, d’origine quantique, peut être décrit par un effet de spill out des électrons s qui débordent au-delà du rayon de la NP et de la diminution de l’écrantage des électrons d à la surface de la NP. L’interaction avec le substrat provoque un décalage global de la fréquence de vibration vers le rouge par rapport aux NP d’or dans le vide.Pour l’autre échantillon (s 6 = p), la contribution du mode A z devient notable au-dessous de 5 nm. L’influence du substrat sur ce mode est différente, son effet augmente quand la taille diminue, contrecarrant l’effet de taille intrinsèque Dans ce cas, la dérive de la position du LSPR vers le bleu avec la diminution de la taille est plus lente en polarisation p qu’en polarisation s.Ces comportements sont à relier aux mesures de GIXD, réalisées en fin de croissance, qui ont montré des épitaxies différentes dans les deux cas. Dans l’un (s = p), une grande partie des NP sont orientées avec la direction [110] de l’or alignée le long des rangées d’oxygène pontant de TiO2(110) alors que dansl’autre (s /= p) les NP présentent un fort désordre orientationnel attribué à une surface avec un très grand nombre de marchesThis thesis concerns the study of supported gold nanoparticles (NP) onTiO2(110) as a model system. The aim is improving the comprehension ofthe correlation between morphological and structural properties andlocal surface plasmon resonances (LSPR) of the NP.In situ measurements during NP growth were performed by grazingincidence X-ray diffraction (GIXD), grazing incidence small angle X-raydiffusion (GISAXS) and surface differential reflectance spectroscopy(SDRS). NP were deposited by molecular beam epitaxy in ultra-high vacuum.Simultaneous study of LSPR phenomena by SDRS and GISAXS allowed thedescription of resonance frequency evolution with the NP mean diameterincrease from 2 to 6 nm.Typically, position of the plasmon peak in both p and s measuredpolarizations is found to blue-shift when NP size decreases, butdetailed behavior is influenced by TiO2(110) surface state.At the same NP dimension, in one case plasmon pics position is the samefor both s and p polarization, whereas in the second studied sample theyare different, but only in the small size range (diameter<5nm). Thisphenomenon was analyzed thanks to the decomposition of plasmonexcitation into parallel (A//, contributing to both s and p signal) andperpendicular (Az, contributing only to p polarization) modes withrespect to the surface.When A// dominates (same peak positions for s and p polarizations at thesame NP mean diameter) the observed blue-shift with size decrease isvery close to that reported in literature for embedded Au NP. Thissuggests that the underlying quantum size effect, due to s-electronsspill-out and diminishing of d-electrons screening for surface atoms, isan intrinsic property of the NP. Interaction with the substrate inducesa global red-shift compared to NP in vacuum.In the other case (s /= p for sizes smaller than 5 nm), Az contributionin noticeable. Substrate influence on this mode is different, its effectincreases as size decreases, countering the intrinsic size effect.Blue-shift with size decrease is slowed down in p polarization comparedto the s one. These results were linked to GIXD measurements performedafter NP growth. They show epitaxial differences between the two studiedcases. In the former (p=s), a fair amount of NP is oriented such thatgold [110] direction is aligned with the TiO2(110) surface bridgingoxygen arrays. In the second case (p/=s), NP show a strong orientationaldisorder, possibly due to the presence of a large amount of steps on theTiO2(110) surface
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Mrabti, Abdelali. « Propriétés opto-mécaniques dans des matériaux nanostructurés : couplage plasmons-phonons ». Thesis, Lille 1, 2016. http://www.theses.fr/2016LIL10201.
Texte intégralRésumé :
Ce travail de thèse porte essentiellement sur l’étude du couplage élasto-plasmonique dans des systèmes périodiques nanostructurés. Cette interaction plasmon/phonon est étudiée dans un premier temps sur un nanofil métallique inséré dans une cavité d’un cristal bidimensionnel, consistant en un réseau de trous d’air percés dans une matrice diélectrique. Le second système analysé est un cristal à résonances locales composé d'une membrane diélectrique non absorbante, sur laquelle nous avons déposé un réseau carré de nanocylindres d'or. L'intérêt d'étudier ce système résulte du fait qu'il supporte des phonons bien localisés au niveau des nanocylindres, ce qui est une condition nécessaire pour un couplage efficace avec les modes plasmoniques. Le troisième système examiné est également un cristal à résonances locales, composé d’un réseau de nanocylindres métalliques en interaction avec un film métallique par l'intermédiaire d'un film ultra-mince de silice. L’intérêt d’étudier cette dernière structure est double : d’une part, les plasmons deviennent sensibles, par leur forte localisation, à des petites déformations du film ; d’autre part, ce système supporte des phonons bien localisés ce qui permet d’obtenir une amplification locale des vibrations à partir d’une source acoustique. En fin, il s’agit d’une cavité duale pour les phonons et les plasmons. Pour les trois systèmes étudiés dans cette thèse, nous avons montré qu’une vibration mécanique peut moduler au cours de sa période acoustique, la longueur d’onde de résonance des modes plasmoniques supportés par la structureThis thesis is focused on the elastoplasmonic coupling in periodic nanostructured systems. This interaction plasmon/phonon has been studied first for a metal nanowire inserted into a cavity of a two-dimensional crystal, consisting in a periodic array of holes in a dielectric matrix. The second investigated system is a crystal with sustaining local resonances. The crystal is formed by a square array of gold nanocylindres deposited on a non-absorbing dielectric membrane. The interest of such a system is that it can support phonon modes localized in the nanocylindre enabling thus an efficient coupling with plasmon modes. The third system is a crystal constituted by a metal nanoparticles array coupled to a metal film via an ultra thin dielectric spacer (silica). The motivation behind such a study is twofold: first, plasmon modes are sensitive to small local deformations due to their strong confinement; second such a system supports many localized phonons that can provide a local amplification of vibrations. It is then a dual cavity for phonon and plasmon modes. For the three systems studied in this thesis, we have shown that mechanical vibrations can modulate during an acoustic period the wavelength of the plasmon resonance modes supported by the structure
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Aoudjit, Thinhinane. « Etude des propriétés optiques de nanostructures chirales par imagerie photochimique ». Electronic Thesis or Diss., Troyes, 2022. http://www.theses.fr/2022TROY0008.
Texte intégralRésumé :
Une nanostructure est dite chirale si elle ne possède pas de plan de symétrie, autrement dit si ses images miroirs sont non superposables. Les objets chiraux interagissent de manière différente avec la lumière polarisée circulairement. Le champ proche exalté induit par ces structures est accordable en longueur d’onde et permet d’amplifier les effets chiroptiques, ces caractéristiques leurs attribuent une place importante dans le domaine de la biodétection. De ce fait, l’exploration de ce champ proche consiste l’axe principal de notre étude. Pour ce faire, on utilise une sonde locale, le PMMA-DR1. Ce copolymère est formé d’un groupe azoïque DR1 qui est attaché latéralement du côté de son groupe donneur au polymère PMMA par une liaison covalente. Sous irradiation adéquate (appartenant au spectre d’absorption du DR1), le champ proche de la nanoparticule active le cycle d’isomérisation de la molécule qui transforme cette énergie électromagnétique en un mouvement mécanique pour passer de l’état Trans à l’état Cis. Le déplacement de matière induit est suivi par des observations AFM. Plusieurs travaux sur l’imagerie photochimique ont été effectués au sein de notre laboratoire sur différentes structures. Récemment, cette méthode a été utilisée pour comprendre le comportement chiral d’une nanostructure parfaitement symétrique qui ne présentait aucun dichroïsme circulaire au champ lointain. Notre contribution consiste à sonder le comportement chiral de structures parfaitement asymétriques par cette méthode d’imagerieChiral nanostructures interact differently with right and left circularly polarized light. Moreover, they exhibit enhanced electric and magnetic near-fields leading to the so-called superchirality. This effect can be used for the detection of chiral biological objects with high enantio-sensitivity. Indeed, the optical chirality C is correlated with the rate of excitation of the chiral molecule, so that increasing the optical chirality at the location of the molecule can significantly improve its detection. We present here a subwavelength imaging approach that is based on the interaction between the highly exalted near-field of chiral nanoparticles and an azobenzene molecule (DR1, disperse red 1) grafted to a polymeric chain (i.e. PMMA). Under illumination, the azobenzene molecules (DR1) undergo photo-isomerization cycles, which induce a displacement of matter inducing measurable topographical modifications that can be tracked using atomic force microscopy. Therefore, we obtain in the polymer a map of the near-field of the chiral nanostructures. We recently demonstrated that chiral effects and field dissymmetry in plasmonic nanostructures can be imaged with this technique. Here, we apply photochemical imaging to chiral metallic nanostructures, such as chiral coupled nanorods. We show that the near-field chiral response can be imprinted in the photopolymer
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Dheur, Marie-Christine. « Expériences de plasmonique quantique : dualité onde corpuscule du plasmon de surface et intrication entre un photon et un plasmon de surface ». Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLO004/document.
Texte intégralRésumé :
Nous présentons deux expériences de plasmonique quantique, c’est-à-dire des expériencesd’optique quantique ayant pour support des plasmons de surface. Dans la première expérience, nous montrons la dualité onde-corpuscule d’un plasmon de surface unique (1) en utilisant la démarche de l’article de Philippe Grangier, Gérard Roger et Alain Aspect (2) sur les interférences à un photon unique. Dans la deuxième expérience, nous mettons en évidence les propriétés d’intrication entre un photon et un plasmon de surface. Nous produisons des photons intriqués en polarisation et les séparons spatialementWe present two quantum plasmonics experiments, namely quantum optics on surface plasmons. In the first experiment, we show the wave-particle duality of a single surface plasmon along the same lines as the single-photon interferences experiment of Philippe Grangier, Gérard Roger and Alain Aspect (2). In the second experiment, we bring out between a photon and a surface plasmon. We generate paires of polarization entangled photons and separate the pair photons spatially. A former photon is send to a semi-plasmonic Mach-Zehnder interferometer whose first beam splitter is a polarization beam splitter whose output are converted to plasmons and on a plasmonic beamsplitter