Advanced gold-based nanowires : from hybrid structures to original plasmonic and optical properties

par Daniel Funes-Hernando

Thèse de doctorat en Electronique, microélectronique et nanoélectronique et micro-ondes

Sous la direction de Jean-Luc Duvail.

Soutenue le 30-11-2018

à Nantes , dans le cadre de École doctorale Matière, Molécules et Matériaux (Le Mans) , en partenariat avec Université Bretagne Loire (COMUE) et de Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes) (laboratoire) .

Le président du jury était Marc Lamy de la Chapelle.

Le jury était composé de Elizabeth Boer-Duchemin, Dario Pisignano, Sophie Quillard, Bernard Humbert.

  • Titre traduit

    Nanofils d’or fonctionnels : structures hybrides, propriétés plasmoniques et optiques originales


  • Résumé

    La plasmonique exploite les plasmons polaritons de surface (SPP) et les plasmons de surface localisés (LSP). Les nanostructures 1D métalliques et hybrides ouvrent la voie à l’exploitation combinée de la nature de propagation du SPP et du caractère émissif des LSPR. Durant ma thèse, j'ai conçu des nanofils fonctionnels à base d'or pour l'exploration et l'exploitation de ces propriétés. Un résultat important concerne la conception de nanofils coaxiaux pour permettre la détection de signaux Raman à distance. La spectroscopie Raman à distance repose sur la séparation de plusieurs micromètres de l’excitation par un laser à une extrémité du nanofil et de la détection Raman à l’autre extrémité. La très faible efficacité de l'émission Raman est un défi supplémentaire. Des nanofils coaxiaux constitués d'un coeur d'or, pour propager les SPP, et d'une gaine de poly(3,4-éthylène-dioxythiophène) pour le signal Raman ont été conçus pour la preuve de concept. Cette étude a permis de mettre en évidence une forte orientation préférentielle des chaînes de polymères attribuée à la synthèse ultraconfinée. Dans une autre étude, nous avons cherché à améliorer le comportement d’antenne de ces nanofils. Pour cela, un traitement laser post-synthèse a permis de produire des protubérances aux extrémités des nanofils d’or. Il en résulte un couplage plus efficace avec la lumière incidente pour exciter les SPP et une augmentation de la lumière diffusée à l'extrémité opposée. Ces études constituent des approches alternatives pour la détection à distance de substances photodégradables et pour l'exploration de nanosources 1D et nano-antennes pour des systèmes photoniques et plasmoniques intégrés.


  • Résumé

    Plasmonics is an important research topic for nanophotonics based on surface plasmon polaritons (SPP) and localized surface plasmons (LSP). 1D-like metallic and hybrid nanostructures opens the way to exploit altogether the propagative nature of SPP in a guided way, and the strong field enhancement of LSPR. During my thesis work, I designed functional gold-based nanowires with controlled morphological and compositional characteristics for exploring and exploiting their plasmonic properties. A main achievement reports on the plasmon-mediated remote Raman sensing promoted by coaxial nanowires. Remote Raman spectroscopy is based on the separation by many micrometres of the excitation laser spot on one tip of the nanowire, and the Raman detection at the other tip. The very weak efficiency of Raman emission makes it challenging. Coaxial nanowires consisting of a gold core to propagate SPP and a Raman-emitting shell of poly(3,4-ethylene-dioxythiophene) were synthesized for the proof-of-concept. This study also permits to evidence a strong preferential orientation of the polymer chains due to the ultra-confined synthesis. In another study, the enhancement of both the SPP excitation and the light emission efficiency has been realized by transforming the gold nanowire tips with optimized laser treatments. It results in dog bones like nanowires, which improve the coupling with the excitation light for a suitable polarization and increase the scattered light at the opposite tip. These studies constitute alternative approaches for the remote detection of photo-degradable species and for exploring 1D nanosources and nanoantennae for integrated photonic and plasmonic systems.


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