Fabrication par lithographie déterministe de nanoantennes patch plasmoniques à émetteur unique, et leur caractérisation

Deterministic lithographic fabrication of single emitter plasmonic patch nanoantennas, and their characterization

• Auteur / Autrice : Amit Raj Dhawan
• Direction : Agnès Maître
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 05/02/2016
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des nanosciences de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean Hare
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Pruvost, Pascale Senellart
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elizabeth Boer-Duchemin, Joël Bellessa

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lithographie par faisceau d'électrons

Photons uniques

Nanocristaux

Plasmons

Nanotechnologie

Mots clés libres

Nanoantenne

Plasmonique

Lithographie

Photon unique

Nanocristal

Nanoantenna

Plasmonic

Lithography

Résumé

Les nano-antennes plasmoniques exploitent une propriété remarquable des structures métallo-diélectriques qui permettent de convertir un rayonnement électromagnétique propagatif en une énergie localisée, et réciproquement. Ceci leur confère des propriétés avantageuses pour atteindre une bonne efficacité, aussi bien en tant qu’émetteur qu’en tant que récepteur. En utilisant un émetteur quantique unique comme source pour l’antenne, son émission spontanée peut non seulement être accélérée, mais aussi être rendue plus directive, ce qui permet d’obtenir une source de photons uniques efficace. De plus, les émetteurs uniques constituent un bon outil pour étudier et comprendre l’interaction lumière--matière à l’échelle de l’émetteur individuel. Afin de fabriquer des nanostructures photoniques telles que des antennes plasmoniques de type ''patch'', nous avons développé trois nouvelles techniques de lithographie avec un positionnement déterministe des émetteurs en leur centre. Deux techniques sont basées sur la lithographie optique in-situ. Nous y utilisons soit un laser supercontinuum, soit un mode de Laguerre-Gauss annulaire produit avec un modulateur spatial de lumière. La troisième technique combine la lithographie optique et la lithographie électronique. Dans ces trois cas, les émetteurs considérés sont des nanocristaux de CdSe/CdS. Nos antennes permettent d’accélérer l’émission de ces boîtes quantiques d’un facteur de Purcell pouvant atteindre 25. L’étude de ces antennes met en évidence la compétition entre la recombinaison mutiexcitonique et l’émission de photons uniques.

Plasmonic patch nanoantennas exploit the unique properties of metal--dielectric--metal structures at a nanometric scale to convert freely propagating electromagnetic radiation into localized energy, and vice versa. This makes them suitable for enhancing the efficiency of light emission and detection. By using a single quantum emitter as the antenna source, its spontaneous emission can be accelerated and directed to create an efficient single photon source. Moreover, single emitter structures provide a tool for investigating and understanding light--matter interactions at a single emitter level. We have developed three new lithography techniques for fabricating photonic nanostructures, such as plasmonic patch nanoantennas, with deterministic positioning of single emitters inside them. Two techniques are based on in-situ optical lithography: one employs a supercontinuum laser, and the other uses Laguerre-Gaussian donut modes produced by spatial light modulation. The third technique uses a combination of optical and electron beam lithography. The fabricated optical patch antennas, which use a CdSe/CdS quantum dot as a source, exhibit Purcell factors as high as 25. Our results on the characterization of emission of these antennas provides insight into multiexciton recombination and single photon emission.