Contrôle de la fluorescence par des nanoantennes plasmoniques

Controlling Spontaneous Emission with Plasmonic Nano-antennas

• Auteur / Autrice : Benjamin Habert
• Direction : Jean-Jacques Greffet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 02/04/2014
• Etablissement(s) : Palaiseau, Institut d'optique théorique et appliquée
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 1998-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry / Naphel
• Jury : Président / Présidente : Rémi Carminati
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Marquier, Agnès Maître
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Pierre Hermier, Angela Vasanelli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanophotonique

Plasmons

Fluorescence

Mots clés libres

Fluorescence

Plasmon

Plasmonique

Nano antenne

Directivité Purcell

Fluorescence

Spontaneous Plasmon

Plasmonic

Nano antenna

Directivity Purcell

Résumé

Dans ce travail de these, nous étudions comment des nano-structures métalliques modifient le processus d'émission spontannée d'objets fluorescents et jouent ainsi un rôle d'antenne. Ces structures supportent des modes optiques confinés aux interfaces metal-diélectrique: ce sont des modes plasmoniques.De par leur fort confinement, ces modes modifient la densité locale d'états optiques et permettent notamment d'accélérer le processus d'émission spontannée (facteur de Purcell). Nous étudions le cas d'une structure planaire metal-isolant-métal de type patch couplée à un ensemble de nanocristaux colloïdaux fluorescents. Nos mesures, soutenues par des calculs numériques, montrent une acceleration de l'émission fluorescente d'un facteur 80 ainsi qu'une augmentation de la directivité de l'émission. Nous décrivons ensuite le procedé de fabrication d'une structure patch metal-semiconducteur-métal pour laquelle la source fluorescente est un puits quantique émettant dans le proche infra-rouge. Nous montrons que l'antenne permet d'augmenter l'extraction fluorescente d'un facteur 8. Enfin, nous considérons le cas d'une structure sphérique composée d'un unique nanocristal fluorescent au centre d'une bille de silice entourée par une fine coquille métallique. Cette structure plasmonique accélère l'émission d'une facteur 10 et permet de supprimer le scintillement caractéristique de l'émission des nanocristaux. La coquille métallique permet également d'isoler chimiquement le nanocristal de l'environnement, assurant ainsi une grande photostabilité et une toxicité réduite. L'émetteur ainsi obtenu est donc un candidat prometteur pour des applications de marquage de fluorescence in-vivo.

The present work focuses on the modification of spontaneous emission of fluorescent emitters using metallic nano-structures. These structures support confined plasmonic modes that strongly increase the local density of optical states. Consequently, the plasmonic structure enhances the spontaneous decay rate of the emitter. We use both numerical simulations and experimental results to demonstrate the potential of plasmonic antennas as tools to control spontaneous emission. First, we study a metal-dielectric-metal planar structure called patch antenna. This structure is coupled to an ensemble of quantumdots emitting visible light. We show that, in the presence of the patch antenna, the fluorescent emission is accelerated by a factor 80 and that its directivity is increased. Then, we use a similar plasmonic structure coupled to a quantum well emitting in the near infrared. Using an ad hoc hyperspectral imaging setup, we show that the antenna increases the extracted light by a factor 8. Finally, we study a spherical geometry composed of a single fluorescent quantum dot at the center of a silica bead coated with a thin gold shell. This plasmonic structure