Excitation électrique de plasmons de surface avec un microscope à effet tunnel

par Tao Wang

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Geneviève Comtet.

Soutenue le 18-07-2012

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Ondes et Matière (1998-2015 ; Orsay, Essonne) , en partenariat avec Institut des sciences moléculaires d'Orsay (Institut) .


  • Résumé

    Pour la première fois, en associant un microscope à effet tunnel (STM) et un microscope optique inversé,nous avons imagé les plasmons de surface excités électriquement sur un film d’or avec la pointe d’un STM.Par microscopie de fuite radiative, en observant l’image de l’interface air/or et celle du plan de Fourierassocié, nous avons distingué les plasmons propagatifs des plasmons localisés sous la pointe. Les plasmonspropagatifs sont caractérisés par une distance de propagation et une direction d’émission en accord aveccelles de plasmons propagatifs créés par excitation laser sur des films d’or de mêmes épaisseurs. Les fuitesradiatives des plasmons localisés s’étalent jusqu’à l’angle maximum d’observation. Plasmons propagatifs etlocalisés ont une large bande spectrale dans le visible. Si la pointe est plasmonique (en argent), lesplasmons localisés ont une composante supplémentaire due au couplage associé. Pour différents types depointe, nous avons déterminé les intensités relatives des plasmons localisés et propagatifs. Nous trouvonsque chaque mode plasmon (propagatif ou localisé) peut être préférentiellement sélectionné en modifiant lematériau de la pointe et sa forme. Une pointe en argent produit une intensité élevée de plasmons localisés,tandis qu’une pointe fine de tungstène (rayon de l’apex inférieur à 100 nm) produit essentiellement desplasmons propagatifs. Nous avons étudié la cohérence spatiale des plasmons propagatifs excités par la pointe du STM. Avec un film d’or opaque (épaisseur 200 nm) percé de paires de nanotrous nous avons réalisé une expérienceanalogue à celle des fentes d’Young. Des franges d’interférences sont observées. La mesure de leurvisibilité en fonction de la distance des nanotrous donne une longueur de cohérence des plasmons de 4.7±0.5 μm. Cette valeur, très proche de la valeur 3.7± 1.2 μm déduite de la largeur de la distribution spectraledes plasmons, indique que l’élargissement spectral des plasmons propagatifs est homogène.Nous avons aussi étudié la diffusion des plasmons propagatifs excités par la pointe du STM par desnanoparticules d’or déposées sur un film d’épaisseur 50 nm. Nous observons une diffusion élastique et unediffusion radiative. Des franges d’interférences sont observées dans la région d’émission lumineuseinterdite du plan de Fourier, dont la période est inversement proportionnelle à la distancepointe-nanoparticule d’or avec un facteur de proportionnalité égal à la longueur d’onde moyenne desplasmons. Il y a donc interférence entre la radiation des plasmons localisés et la radiation provenant de ladiffusion des plasmons propagatifs sur les nanoparticules d’or. Ceci indique que les plasmons localisés etpropagatifs excités électriquement par la pointe du STM sont différentes composantes du plasmon uniqueproduit par effet tunnel inélastique avec la pointe du STM. Ces résultats originaux sur les plasmons créés sur film d’or par un effet tunnel inélastique localisé à l’échelle atomique (i) élargissent la compréhension du processus et (ii) offrent des perspectives intéressantes pour une association de la nanoélectronique et de la nanophotonique.

  • Titre traduit

    Electrical excitation of surface plasmons with a scanning tunneling microscope


  • Résumé

    For the first time, using a equipment combining a scanning tunneling microscope (STM) and an invertedoptical microscope, we excite and directly image STM-excited broadband propagating surface plasmons ona thin gold film. The STM-excited propagating surface plasmons have been imaged both in real space andFourier space by leakage radiation microscopy. Broadband localized surface plasmons due to the tip-goldfilm coupled plasmon resonance have also been detected. Quantitatively, we compare the intensities ofSTM-excited propagating and localized surface plasmons obtained with different STM tips. We find that the intensity of each plasmon mode can be selectively varied by changing the STM tip shape or material composition. A silver tip produces a high intensity of localized surface plasmons whereas a sharp (radius < 100 nm) tungsten tip produces mainly propagating surface plasmons. We have investigated the coherence of STM-excited propagating surface plasmons by performingexperiments on a 200 nm thick (opaque) gold film punctured by pairs of nanoholes. This work is analogousto Young’s double-slit experiment, and shows that STM-excited propagating surface plasmons have acoherence length of 4.7±0.5 μm. This coherent length is very close to the value 3.7±1.2 μm expected fromthe spectrum, which indicates that the spectrum broadening of STM-excited surface plasmons ishomogeneous. We have also studied the in-plane and radiative scattering of STM-excited propagating surface plasmons bygold nanoparticles deposited on a 50 nm thick gold film. In the Fourier space images, interference fringesare observed in the forbidden light region. This interference occurs between STM-excited localized surfaceplasmons (radiating at large angles from the tip position) and the radiative scattering by the goldnanoparticle of STM-excited propagating surface plasmons. This indicates that STM-excited localized andpropagating surface plasmons are different components of the same single plasmon produced by inelasticelectron tunneling with the STM tip. These results not only broaden the understanding about the excitation process of STM excited surface plasmons but also offer interesting perspectives for the connection between nanoelectronics andnanophotonics.


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