Electrical excitation of surface plasmon polaritons by inelastic tunneling electrons with resonant nanoantennas

par Cheng Zhang

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Jacques Greffet.

Soutenue le 24-05-2019

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Institut d'optique théorique et appliquée (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire Charles Fabry / Naphel (laboratoire) .

Le président du jury était Mathieu Kociak.

Le jury était composé de Jean-Jacques Greffet, Yannick De Wilde, Elizabeth Boer-Duchemin.

Les rapporteurs étaient Guillaume Schull, Alexandre Bouhelier.

  • Titre traduit

    Excitation électrique de plasmons polaritons de surface par effet tunnel inélastique avec des nanoantennes résonnantes


  • Résumé

    Les plasmons polaritons de surface (SPPs) jouent un rôle central en nanophotonique, parce que ce sont des modes optiques qui peuvent être confinés dans l’espace à l’échelle de 10 nm et dans le temps à l’échelle de 10 fs. L’excitation électrique des plasmons polaritons de surface par effet tunnel inélastique peut être ultrarapide et localisée, ce qui permet de développer une nanosource pour la nanophotonique intégrée en profitant pleinement du potentiel des polaritons plasmon de surface. Pourtant, ce processus est très inefficace avec un rendement de conversion typique de 10-7~10-5 plasmon par électron.Dans ce manuscrit de thèse, nous présentons une étude théorique et expérimentale qui vise à augmenter l’émission de plasmons de surface par effet tunnel inélastique avec une nano-antenne résonante. Nous avons développé un modèle théorique pour décrire l’émission de lumière à partir d’une jonction à effet tunnel en utilisant le théorème de fluctuation-dissipation. Nous proposons deux stratégies pour augmenter le rendement de conversion électron-plasmon. Nous introduisons un mode d’antenne résonnante confiné à l’échelle du nanomètre afin de renforcer le couplage entre le courant et le champ. En outre, nous introduisons l’hybridation d’un mode plasmonique metal/isolant/metal confiné et d’un mode d’antenne. Nous prédisons théoriquement que 30% de l’énergie émise par un dipôle est sous forme de SPP pour une longueur d’onde de travail de 800nm et une épaisseur d’isolant de 1 nm.Nous avons développé les processus de fabrication pour réaliser les antennes à effet tunnel en utilisant la configuration Al/AlOx/Au. L’antenne fabriquée présente une fonctionnalité robuste concernant les propriétés électriques et optiques. Nous montrons l’antenne permet de contrôler le spectre d’émission SPP, la polarisation d’émission SPP et renforcer l’efficacité des émissions de SPP de plus de 3 ordres de grandeur. La puissance totale émise sous forme de SPP est de l’ordre de 10 pW, quatre ordres de grandeur de plus que la puissance typique émise par une pointe de microscope à effet tunnel.


  • Résumé

    Surface plasmon polaritons (SPPs) plays a central role in nanophotonics because they are optical modes that can be confined in space at the 10 nm scale and in time at the 10 fs scale. Electrical excitation of surface plasmon polaritons by inelastic tunneling electrons has the potential to be fast and localized so that it offers the opportunity to develop a nanosource for on-chip nanophotonics taking advantage of the full potential of surface plasmons polaritons. However, inelastic tunneling is rather inefficient with a typical electron-to-plasmon conversion efficiency of 10-7~10-5. In this thesis manuscript, we present a study for enhancing surface plasmon emission by inelastic tunneling electrons with a resonant nanoantenna. It consists of theoretical and experimental investigations. First, we have developed a theoretical model to describe the light emission from a tunnel junction based on the fluctuation-dissipation theorem. Second, we have theoretically demonstrated two strategies to improve the antenna SPP efficiency thus aiming to enhance electron-to-plasmon conversion efficiency. We introduce a resonant antenna mode with a sub-nanometer gap in order to enhance the coupling between the inelastic current and the the mode. Furthermore, we introduce the hybridization in a nanopatch antenna between a gap mode and an antenna mode to launch SPPs: we theoretically predict that 30% of the power emitted by a dipole is converted into SPP (working wavelength at 800nm) with a 1nm gap thickness. Third, we have developed the fabrication procedures to realize antenna tunnel junctions based on the Al/AlOx/Au configuration. The fabricated antenna junction shows a robust functionality both regarding electrical and optical properties. The antenna junction is demonstrated to control the SPP emission spectrum, the SPP emission polarization and enhance the SPP emission efficiency by over 3 orders of magnitude. The total SPP power emitted is in the range of 10 pW, four orders of magnitude larger than the typical fW power emitted by a scanning tunneling tip junction.


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