Nanostructures métalliques résonantes pour les métamatériaux dans le visible : apport de l'ellipsométrie généralisée à la compréhension de leurs propriétés optiques

par Nicolas Guth

Thèse de doctorat en Physique et Chimie des Matériaux

Sous la direction de Bruno Gallas.

Soutenue en 2012

à Paris 6 .


  • Résumé

    Ce travail de thèse s’intéresse à deux types de matériaux composites en couches minces, dont les constituants sont des nanostructures de forme donnée faites de métal noble ; ils présentent des résonances de plasmon multipolaires. Leurs propriétés optiques dans le spectre visible-proche IR sont étudiées par deux techniques, le calcul par la méthode des éléments finis et l’ellipsométrie généralisée. Le premier type de matériau est le réseau de résonateurs en « U » faits d’or. Les mesures de matrices de Mueller par ellipsométrie permettent de mettre en évidence deux propriétés optiques particulières de ce type d’échantillon : d’une part le couplage magnéto-électrique et d’autre part la dispersion spatiale ; ces deux effets compliquent la description des propriétés optiques d’un matériau. Nous montrons dans un deuxième temps que ce type d’échantillon peut être décrit par un modèle effectif défini par des tenseurs constitutifs de permittivité, perméabilité et chiralité, malgré la dispersion spatiale. L’effet des résonances de plasmon multipolaires est exprimé par des oscillateurs de Lorentz. L’ajustement des paramètres d’un modèle effectif permet de définir complètement les propriétés optiques effectives d’un réseau de résonateurs en « U ». Le second type de matériau est un réseau désordonné de résonateurs hélicoïdaux faits d’argent. L’intérêt principal réside dans l’aspect industrialisable du process de réalisation ; l’inconvénient vient du caractère non-idéal des nanohélices. Nous montrons que ce type d’échantillon présente une dispersion spatiale très forte, mais que les résonances propres observés grâce au calcul par éléments finis sont utilisables pour les métamatériaux

  • Titre traduit

    Metallic resonant nanostructures for visible range metamaterials : contribution from generalized ellipsometry to the comprehension of their optical properties


  • Résumé

    This work deals with the optical properties of two types of layered composite materials containing metallic nanostructures which present multipolar plasmon resonances. Two methods were used to study the optical properties in the near IR-visible spectrum: finite elements model calculation and generalized ellipsometry. The first type of material contained an array of gold U-shaped resonators realized by e-beam lithography. Mueller-matrix measurements by ellipsometry allowed evidencing two special optical properties: on one hand a magneto-electric coupling and on the other hand spatial dispersion. We have built a parameterized optical model with permittivity, permeability and chirality constitutive tensors using Lorentz oscillators to describe the plasmon resonances effect. We have shown that this model allowed to fully describe layer’s optical properties, together with the effects of spatial dispersion. The parameters of the model were adjusted so as to reproduce the measured Mueller matrices. The values of the parameters extracted from the adjustment agreed well with those obtained by finite elements method. The second type of material was an assembly of helical shape nanostructures made of silver. We calculated the optical response values using finite elements method, with a numerical sample including non idealities. The samples investigated showed a strong spatial dispersion; however, the calculated generalized ellipsometric spectra agreed well with measured ones. This hinted towards the presence of the resonant modes observed thanks to the simulation, into the real sample. These resonances could be employed in metamaterials design

Autre version

Cette thèse a donné lieu à une publication en 2013 par [CCSD] [diffusion/distribution] à Villeurbanne

Nanostructures métalliques résonantes pour les métamatériaux dans le visible : apport de l'ellipsométrie généralisée à la compréhension de leurs propriétés optiques

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Informations

  • Détails : 1 vol. (149 p.)
  • Annexes : Bibliogr. en fin de chapitres. 85 réf. bibliogr.

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