Nano-pince optique intégrée contrôlée par plasmon de surface localisé pour le piégeage de nanoparticules

par Aurore Ecarnot

Projet de thèse en Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies

Sous la direction de Vy Yam.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Electrical,Optical,Bio: PHYSICS_AND_ENGINEERING , en partenariat avec Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2015 .


  • Résumé

    La génération de plasmon de surface par excitation électromagnétique de nanoparticules métalliques suscite actuellement un grand intérêt car elle offre la possibilité de concentrer la lumière à l'échelle nanométrique [1]. De courtes chaines de nanotiges métalliques gérérant des plasmons de surface localisés peuvent être couplées à des guides d'onde SOI (silicon on insulator) aux longueurs d'ondes des télécoms [2]. A la résonance, la chaîne de nanotiges se comporte comme un guide d'onde qui est fortement couplé au guide SOI. Dans ce cas, la quasi-totalité de l'énergie du mode TE peut être transférée vers une ou plusieurs nanotiges. Cette forte concentration de lumière offre la possibilité de capturer des nano- ou microparticules par effet opto-mécanique. Nous avons fait une première démonstration du comportement de nano-pince optique guidée avec un tel système (figure 1). Ceci ouvre des perspectives pour la réalisation de laboratoire sur puce ou de capteurs de particules pour l'automobile et des mesures de qualité de l'air, et particulièrement pour la détection de particules de taille inférieure à 0,5 µm, pour lesquelles aucun capteur efficace n'existe. L'objectif de cette thèse est de comprendre les mécanismes physiques qui conduisent au piégeage optique et de déterminer les paramètres qui optimisent l'efficacité du piégeage pour la réalisation du capteur. Elle sera réalisée en collaboration avec le Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (LCB) à Dijon. L'étudiant réalisera dans un premier temps un travail de conception de systèmes permettant le piégeage optique de micro-nanoparticules de nature différente et baignant dans différents environnements. Le candidat devra ensuite vérifier expérimentalement les concepts developpés. La fabrication de dispositifs bénéficiera de l'expertise de centrale de nanotechnologie IEF (CTU-Minerve) pour la fabrication de guides d'ondes plasmoniques, et de l'expertise de la LCB pour la conception de dispositif microfluidique. Les caractérisations optiques guidées seront effectuées à l'IEF et les expériences de piégeage optiques seront effectuées au LCB. Le travail demande des compétences diversifiées telles que la modélisation, la fabrication technologique, et la caractérisation optique. Le doctorant acquerra durant la thèse, des compétences dans la nano-fabrication, les techniques d'analyse de matériaux, les caractérisations de composants d'optique intégrée, et dans la conception et la modélisation de guide d'onde plasmonique et le piégeage optique. Fig. 1 : (a) Image MEB de cinq nanotiges d'or intégrées sur un guide SOI. Pour les expériences de piégeage optique les guides sont noyés dans une solution colloïdale. (b) Simulation FTDT de la transmsission des guides d'onde avec l'hypothèse d'une présence d'une boule de polystyrène de 500 nm de diamètre près de la 4e et la 5e tige d'or immergés dans de l'eau. Cartographie de l'intensité du champ électrique à la résonance (1,4 µm) et à la longueur d'onde de l'expérience (1,535 µm). (c) Observation expérimentale du piégeage optique de nano-sphères de polystyrène et évaluation de la force optique.

  • Titre traduit

    Integrated localized surface plasmon nano-tweezers for nanoparticles trapping


  • Résumé

    The electromagnetic excitation of the metallic nanoparticles has attracted a great interest in the past decade due to the ability of surface plasmons to concentrate light at nanometer scale [1]. Short metal nanorod chains supporting localized surface plasmons can be integrated and coupled to Silicon On Insulator (SOI) waveguides at telecom wavelengths [2]. At resonance the nanorod chain behaves as a waveguide which is highly coupled to the SOI waveguide. In that case almost all the TE mode energy can be transferred to one or several nanorods. The high optical density supported by the nanorods is then able to capture nano- or microparticles by opto-mechanical effect. We have shown a very first demonstration of guided nanotweezer behavior with such a system as shown in figure 1. This opens up prospects for achieving lab on chip or nanoparticle sensor for automotive and air quality measures, and especially, for the detection of NP with size below 0.5 µm, for which no efficient sensor exists. The aim of this thesis is to understand the physical mechanisms that lead to optical trapping and to determine how to optimize it efficiently for sensor achievement. It will be performed in collaboration with the Interdisciplinary Laboratory Carnot de Bourgogne (LCB) in Dijon. The student will initially design systems for optical trapping of micro-nanoparticles of different nature and/or bathing in different environments. The candidate will then verify experimentally the developped concepts. The fabrication of devices will benefits from expertise of the IEF nanotechnology center (CTU-MINERVA) for the fabrication of plasmonic waveguides, and from the expertise of the LCB for microfluidics process. Guided optics characterizations will be done at IEF and optical trapping experiments will be done at the LCB. Work requires diversified competencies like modeling, technological fabrication, and optical characterization. The PhD student will acquire during the thesis skills in technology and nanotechnology fabrication (electron beam lithography, plasma etch, vapor deposition...), in materials analysis techniques, in characterization of integrated optics components, and in the design and modeling of plasmonic waveguide and optical trapping. The methodology will be based on theory-experiment analysis. He/she will gradually acquire the necessary autonomy to the management of projects. Fig. 1. (a) SEM picture and scheme top views of the five nanorod chain integrated on SOI waveguide. For the nanotweezing experiment the waveguide is immersed in aqueous colloidal solution. (b) FDTD simulation of the waveguide transmission with the hypothesis of a 500 nm diameter polystyrene sphere near the 4th and 5th nanorod immersed in water (insert). Transverse cut of the electric field intensity map at resonance (1.40 μm) and at experimental wavelength (1.535 μm). (c) Experimental observation of the sphere during trapping and strength evaluation.