Plasmonique, un outil pour l'ingénierie du champ électromagnétique aux petites échelles : Manipulation du champ proche optique

par Sarra Mitiche

Thèse de doctorat en Optique et photonique

Sous la direction de Ludovic Douillard.

Soutenue le 25-09-2018

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (2015-.... ; Orsay, Essonne) , en partenariat avec Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Bruno Palpant.

Le jury était composé de Ludovic Douillard, Bruno Palpant, Pierre-Michel Adam, Nordin Felidj, Guillaume Baffou, Elizabeth Boer-Duchemin.

Les rapporteurs étaient Pierre-Michel Adam, Nordin Felidj.


  • Résumé

    À l'échelle nanométrique, les particules métalliques présentent de nouvelles propriétés optiques liées au phénomène de résonance plasmon de surface. Une résonance plasmon est une oscillation collective et cohérente des électrons de conduction à la surface d'une nanoparticule métallique sous l'influence d'un champ électromagnétique extérieur. La longueur d'onde de cette résonance ainsi que la distribution spatiale du champ électromagnétique associé dépendent des caractéristiques de la nanoparticule (taille, forme et nature chimique), du milieu diélectrique hôte et de la géométrie d'illumination. L’excitation de plasmons de surface génère des champs électromagnétiques locaux de fortes intensités, localisés en des points spécifiques de la nanoparticule, appelés «points chauds». La lumière est ainsi miniaturisée et confinée dans des espaces de taille sub-longueur d’onde (<20nm). La possibilité de produire et de contrôler ces points chauds augure d'importantes réalisations dans un large éventail de domaines d'applications allant des technologies de l'information aux énergies renouvelables, tout en passant par la biomédecine. Ce travail de thèse met en évidence la possibilité de générer et de manipuler des points chauds au niveau de structures de taille nanométrique par effet de la géométrie de la nanostructure métallique ou bien de la configuration et de la longueur d’onde de la lumière excitatrice. L’objectif est de manipuler la lumière à petite échelle afin de contribuer au développement de nouvelles technologies d’origine plasmonique. A cet égard, les réponses optiques de nano-objets métalliques de différentes géométries et tailles, pris individuellement : cube, prisme… ou en groupes: dimère, chaîne… sont étudiées par microscopie de photoémission d'électrons PEEM (PhotoEmission Electron Microscopy), une technique de cartographie haute résolution (20 nm), non intrusive, permettant un adressage sélectif des modes plasmons.Par ailleurs et également dans le cadre de ce travail, une méthode analytique de description du champ proche optique, basée sur la théorie des groupes, a été développée. Cette méthode permet de prédire et d’interpréter en quelques minutes le comportement plasmonique d’une particule à 2D ou 3D, de symétrie finie ou non, seules ou en dimères, à partir des symétries de l’objet et du champ excitateur. En complément, des simulations numériques par la méthode des éléments frontières BEM (Boundary Element Method) ont été effectuées.

  • Titre traduit

    Plasmonics, a Tool for the Engineering of the Near Optical Field at the Nanometer Scale : Optical Near Field Manipulation


  • Résumé

    At nanometer scale, the metallic particles exhibit new optical properties related to the surface plasmon resonance phenomenon. A plasmon resonance is a collective and coherent oscillation of the conduction electrons at a metallic nanoparticle surface under an external electromagnetic field. The resonance wavelength and the spatial distribution of the associated electromagnetic field depend on the nanoparticle characteristics (size, shape and chemical nature), the surrounding dielectric medium and the illumination geometry.The excitation of surface plasmons generates local electromagnetic fields of high intensity located at specific points of the nanoparticle called "hot spots". The light is miniaturized and confined in sub-wavelength areas (<20 nm). The ability to produce and control hot spots holds great promise for a large range of applications from information technology to renewable energies and biomedicine. This thesis highlights the possibility of generating and manipulating hot spots in nanostructures throughout the particle geometry or/and the configuration and wavelength of the exciting light. To do this, the optical response of various metallic nano-objects of different geometries and sizes, taken individually: cube, prism ... or in groups: dimer, chain ... are studied by PhotoEmission Electron Microscopy (PEEM), a non-intrusive and high resolution (20 nm) mapping technique allowing a selective addressing of plasmons modes. In addition to this experimental investigation, the search for a specific optical near-field distribution is also carried out using group theory. We developed an original theoretical method allowing to predict in a few minutes the plasmonic response of a 2D or 3D particle, of finite or infinite symmetry, alone or in dimer, from the object and exciting field symmetries. In parallel, numerical simulations using the Boundary Element Method (BEM) have been carried out.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 01-09-2020


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Paris-Sud. Service commun de la documentation. Bibliothèque électronique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.