Light propagation in integrated chains of metallic nanowires : towards a nano-sensing device

par Ricardo Tellez Limon

Thèse de doctorat en Optique et Nanotechnologies

Sous la direction de Sylvain Blaize et de Rafael Salas-Montiel.

Soutenue le 11-12-2014

à Troyes , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Troyes, Aube) , en partenariat avec Région Champagne Ardenne (Collectivité territoriale) et de Institut Charles Delaunay / ICD (laboratoire) .

Le président du jury était Pierre-Michel Adam.

Le jury était composé de Sylvain Blaize, Rafael Salas-Montiel, Pierre-Michel Adam, Alain Morand, Emmanuel Centeno, Eugenio Rafael Mendez Mendez.

Les rapporteurs étaient Alain Morand, Emmanuel Centeno.

mots clés

• Optique intégrée
• Nanophotonique
• Plasmons
• Résonance plasmonique de surface
• Capteurs optiques
• Optique intégrée
• Nanophotonique
• Plasmons
• Résonance plasmonique de surface
• Capteurs optiques

Titre traduit

Propagation de la lumière dans des chaînes de nanofils métalliques intégrées : vers un nano-capteur

Résumé

Les systèmes optiques intégrés ont été largement utilisés dans la détection et la caractérisation de substances biochimiques. Aussi, le développement de nouvelles technologies permettant la fabrication de structures intégrées à l’échelle nanométrique, ouvre un horizon dans la conception d'une nouvelle génération de capteurs biochimiques. Sur la base de plasmons de surface localisés, au cours des dernières années ont été proposés différentes configurations de systèmes optiques pour concentrer le champ électromagnétique dans une petite région de l'espace, ce qui favorise son interaction avec des substances biochimiques. En utilisant la méthode modale de Fourier, dans la présent thèse est présentée une analyse exhaustive de la propagation des modes dans un réseau périodique de nanoparticules métalliques intégrés avec une guide d'ondes diélectrique. Deux géométries des nanoparticules ont été étudiées: des réseaux périodiques de nanofils et de nanocônes métalliques. Il est démontré que pour les nanocônes métalliques le champ optique est fortement exalté au sommet des nanocônes quand ils sont excités à leur résonance LSP via une guide d'onde diélectrique. Pour valider les résultats numériques, on a fabriqué et caractérisé expérimentalement un réseau périodique de nanofils d’or placée sur une guide d’onde à échange d’ions. La caractérisation de l'échantillon a été réalisée dans le champ lointain en mesurant des spectres de transmission et dans le champ proche en utilisant la microscopie en champ proche optique de balayage (NSOM). Les résultats obtenus montrent que les dispositifs intégrés plasmoniques proposées peuvent être appliquées dans la détection de substances biochimiques

mots clés

• Integrated optics
• Nanophotonics
• Plasmons (physics)
• Surface plasmon resonance
• Optical detectors

Résumé

Localized surface plasmons (LSP) are used to control and concentrate the electromagnetic field in small volumes of matter. This is a very interesting property in the context of biophotonics. Indeed, it allows an enhancement of the light-matter interaction at the cell scale, or even at a single molecule scale. The technological challenge is to propose optical devices able to efficiently couple light into localized plasmonic modes and to improve the detection of signals resulting from the interaction between the confined light and the analyte under detection.In this thesis work, we theoretically and experimentally study the guiding and confinement properties of light in periodic arrays of metallic nanowires of rectangular and triangular (nanocones) cross section that support localized plasmons. These nanowires are integrated in a photonic circuit that enables an efficient light coupling. The extinction spectra of the plasmonic resonances are directly obtained by analyzing the transmitted light in the device. By making use of the Fourier modal method, we perform an exhaustive theoretical study of the plasmonic Bloch modes that propagate due to the near-field coupling of the localized plasmons resonances. It is demonstrated that for the metallic nanocones, the optical field can be strongly enhanced by a controllable tip effect and remarkably intense