Squeezing light in nanoparticle-film plasmonic metasurface : from nanometric to atomically thin spacer

par Rana Nicolas

Thèse de doctorat en Matériaux, Mécanique, Optique et Nanotechnologie

Sous la direction de Ziad Herro et de Thomas Maurer.

Soutenue le 20-10-2015

à Troyes en cotutelle avec l'Université libanaise , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Troyes, Aube) .

Le président du jury était Michaël Canva.

Le jury était composé de Ziad Herro, Thomas Maurer, Michaël Canva, Marie Abboud, Joachim R. Krenn, Bert Hecht, Malek Tabbal.

Les rapporteurs étaient Marie Abboud, Joachim R. Krenn.

  • Titre traduit

    Confinement de la lumière dans des métasurfaces plasmoniques nanoparticule-film : d'une couche séparatrice d'épaisseur nanométrique à atomique


  • Résumé

    Les plasmons polaritons de surface (SPP) et les plasmons localisés de surface (LSP) font l’objet de nombreuses investigations du fait de leur fort potentiel technologique. Récemment, une attention particulière a été portée à des systèmes supportant ces deux types de résonances en déposant des nanoparticules (NPs) métalliques sur des films minces métalliques. Plusieurs études ont mis en évidence le couplage et l’hybridation entre modes localisés et délocalisés. Cependant, une compréhension en profondeur des propriétés optiques et du potentiel de ces interfaces est toujours manquante. Nous avons mené ici une étude de systèmes NPs/film couplés. Nous avons étudié à la fois expérimentalement et théoriquement l’influence d’une couche séparatrice ultra-mince en SiO2 ainsi que l’évolution des différents modes plasmoniques pour différentes épaisseurs. Nous avons ainsi mis en lumière que de tels systèmes couplés offrent des propriétés optiques exaltées et une large accordabilité spectrale. Nous avons aussi cherché à diminuer l’épaisseur de la couche séparatrice vers le cas ultime monoatomique en utilisant le graphène. Du fait du caractère non-diélectrique de celui-ci, nous avons mis en évidence un comportement optique inattendu de la résonance plasmonique. Nous avons expliqué celui-ci par la mise en évidence du dopage du graphène par les NPs, ce qui est un premier pas en direction de dispositifs optoélectroniques à base de graphène. Enfin, après avoir amélioré notre compréhension théorique de ces systèmes, nous avons évalué leur potentiel comme capteurs SERS ou LSP


  • Résumé

    Surface plasmon polariton (SPP) and Localized surface plasmon (LSP) have attracted numerous researchers due to their high technological potential. Recently, strong attention was paid to the potential of SPP and LSP combinations by investigating metallic nanoparticles (NPs) on top of metallic thin films. Several studies on such systems have shown the coupling and hybridization between localized and delocalized modes. In this work, we propose a full systematic study on coupled NP/film systems with Au NPs and Au films. We investigate both experimentally and theoretically the influence of an ultra-thin SiO2 dielectric spacer layer, as well as the evolution of the plasmonic modes as the spacer thickness increases. We show that coupled systems exhibit enhanced optical properties and larger tunability compared to uncoupled systems. We also compare these results with those measured for coupled interfaces using graphene as a non-dielectric sub-nanometer spacer. Introducing graphene adds complexity to the system. We show that such coupled systems also exhibit enhanced optical properties and larger tunability of their spectral properties compared to uncoupled systems as well as unexpected optical behavior. We explain this behavior by evidencing graphene doping by metallic NPs, which can be a first step towards graphene based optoelectronic devices. After establishing a deep understanding of coupled systems we perform both SERS and RI sensing measurements to validate the high potential of these plasmonic interfaces


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