Synthèse, assemblage et caractérisation de matériaux plasmoniques pour une application aux métamatériaux

Synthesis, assembly and characterization of plasmonic material for metamaterials applications

• Auteur / Autrice : Christophe Coutant
• Direction : Philippe Barois, Serge Ravaine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 16/12/2014
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement d'accueil : Université Bordeaux-I (1971-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche Paul Pascal (Pessac ; 1963-....)
• Jury : Président / Présidente : Étienne Duguet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Serge Ravaine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Corinne Chanéac, Emmanuelle Lacaze, Jean-Louis Gallani

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ellipsométrie

Autoassemblage

Résonance plasmonique de surface

Mots clés libres

Métamatériau

Indice de réfraction

Résonance plasmon

Nanoparticules

Autoassemblage

Ellipsométrie

Extinction topologique

Compensation de pertes

Metamaterials,

Refractive index

Plasmon resonance

Nanoparticles

Selfassembly

Ellipsometry

Topological darkness

Loss compensation

Résumé

Les métamatériaux sont des matériaux artificiels présentant des propriétés que l’on neretrouve pas dans les matériaux naturels. Il s’agit en général de matériaux compositesconstitués de résonateurs dont la réponse intense permet l’obtention de propriétés uniques.Cette thèse est consacrée à la fabrication et à l’étude de métamatériaux électromagnétiquespour une utilisation dans la gamme de fréquences du spectre visible. Nos matériaux sont desassemblages denses de nanoparticules coeur écorce. Le coeur métallique d’or présente unerésonance plasmon dans le visible et l’écorce de silice permet de contrôler les couplagesinterparticulaires. Les matériaux sont réalisés par une méthode dérivée de la technique deLangmuir-Blodgett et par microévaporation. Les propriétés optiques des matériaux sontétudiées par ellipsométrie spectroscopique. Nous avons mis en évidence la présence d’uncouplage fort avec le substrat de silicium permettant l’obtention d’indice réfraction n < 0,5dans le cas du système le plus fortement couplé. Nous avons décrit un phénomèned’extinction topologique pouvant être mis à profit pour la fabrication de capteurs ultrasensibles.Nous avons également synthétisé des nanoparticules présentant un coeur de silicechargé de molécules fluorescentes encapsulé d’une écorce d’or dont l’étude a permis unemeilleure compréhension du phénomène de compensation de perte.

Metamaterials are artificial materials exhibiting novel properties that are not found in naturalmaterials. Metamaterials are usually composite materials which contain artificial resonatorswhose intense response generates unique properties. This thesis is dedicated to the fabricationand characterization of electromagnetic metamaterials which are designed to be used atoptical frequency. Our materials are dense assemblies of core-shell nanoparticles. Corenanoparticles exhibit a plasmon resonance in the visible and the silica shell is used to controlthe interparticle coupling. The materials are made by a method derived from the Langmuir-Blodgett technique and by microevaporation. The optical properties of the materials werestudied by spectroscopic ellipsometry. We have demonstrated the presence of a strongcoupling with the silicon substrate which allows for a refractive index value of n <0.5, in thecase of the most coupled system. We have also described a topological extinctionphenomenon that can be exploited for the production of ultra-sensitive sensors. Finally, wesynthesized silica nanoparticles containing fluorescent molecules that are encapsulated with agold shell whose study has allowed for a better understanding of loss compensationphenomenon.