Modélisation des structures nano-plasmoniques et photoniques : applications aux phénomènes de filtrage et à la conception de capteurs bioplasmoniques

par Adnane Noual

Thèse de doctorat en Micro et Nano Technologies, Acoustique et Télécommunications

Sous la direction de Bahram Djafari-Rouhani et de Abdellatif Akjouj.

Soutenue le 23-07-2010

à Lille 1 .


  • Résumé

    Ce travail porte sur la modélisation et simulation avec la méthode des différences finies (FDTD) de structures plasmonique et photoniques à l’échelle submicronique. Dans une première partie, nous avons modélisé la propagation des ondes électromagnétiques à travers des nano-guides diélectriques (air ou SiO2), pris en sandwich entre deux plaques métalliques (de type Metal-Isolant-Metal). L’excitation des plasmons-polaritons aux interfaces permet le guidage d’ondes lumineuses à une échelle sub-longueur d’onde. Nous avons étudié les propriétés de guidage dans le domaine du visible et de l’infrarouge proche, notamment le couplage du guide avec des nano-résonateurs en vue d’explorer des fonctionnalités telles que le filtrage sélectif ou par réjection ainsi que des dispositifs de démultiplexage. Ces mêmes propriétés ont été étudiées dans une structure photonique submicronique constituée de guides d’ondes d’InP entouré d’air, couplé à un ensemble de cavités. Ces nano et microstructures constituent les briques de base pour la conception de nouveaux circuits intégrés tout-optique. Dans une seconde partie de la thèse, on s’est intéressé à la modélisation de l’interaction des ondes électromagnétiques avec des nanoparticules d’or déposées sur un substrat de SiO2, et recouvertes d’une couche d’un matériau diélectrique. Ce type de structures est prometteur pour réaliser des nano-capteurs bioplasmoniques en vue de caractériser des produits biologiques déposés en faible quantité sur la surface du diélectrique. Nous avons montré que la fréquence de la réponse plasmonique des particules présente une variation oscillatoire périodique en fonction l’épaisseur du diélectrique, avec une amplitude des oscillations qui peut atteindre quelques dizaines de nanomètres. Nous avons étudié ce phénomène en fonction des paramètres géométriques des nanoparticules d’or et de l’indice du diélectrique qui les recouvrent. L’objectif est de comprendre comment ces paramètres influencent la gamme de fréquence plasmonique ainsi que la sensibilité du détecteur. Ce travail théorique a été confronté aux résultats expérimentaux réalisés par l’équipe Bio-Interfaces de L’IRI (Institut de recherche interdisciplinaire, Lille 1).

  • Titre traduit

    Modeling of nano-plasmonic and photonic structures : applications to filtering phenomenon and to the conception of bioplasmonic nanosensors


  • Résumé

    This work concerns the modeling and simulation by the finite difference method (FDTD) of plasmonic and photonic structures at the submicron scale. In the first part of the thesis we studied the propagation of electromagnetic-waves through two different dielectric nanoscale waveguides (made out of air and SiO2), sandwiched between two metallic plates (Metal-insulator-Metal). The excitation of surface plasmon-polariton at the interfaces of such waveguides enables light waveguiding at the subwavelength domain. We did study the waveguiding properties in the visible and near infrared ranges of frequency. Coupling of the main waveguide with a nano-resonatorwas investigated to achieve optical operations as filtering (in rejection and selection) and demultiplexing. These same optical functionalities were studied in a submicron photonic structure which is constituted by waveguides of InP surrounded by air, coupled to several cavities. Such nano and microstructures are essential for the design of new all-optical integrated circuits. The second part of the thesis concerns modeling of electromagnetic-waves interaction with metallic (gold) nanoparticles deposited on a glass substrate (SiO2) and covered with a dielectric layer. These structures are promising for the conception of plasmonic nanosensors, which would be used to characterize small amount of biological molecules deposited on the dielectric layer surface. We have shown that the frequency of the plasmonic resonance of metallic particles exhibits an oscillatory variation with the thickness of the layer, with an amplitude reaching tens of nanometers. One investigated this phenomenon according to geometrical parameters of the gold particles and the refractive index of the dielectric layer covering the particles. The aim of such study is to understand how the physical and geometrical parameters influence the frequency range of the plasmonic resonance of the particles and the sensitivity of the nanosensor. This theoretical work was confronted with experimental results realized by Bio-interfaces team of IRI (Interdisciplinary institute of research, University of Lille 1).


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