Contrôle des propriétés magnéto-optiques de systèmes magnétoplasmoniques grâce à la nanostructuration

Tailoring magneto-optical properties of magnetoplasmonic systems through nanostructuration

• Auteur / Autrice : Xiaokun Ding
• Direction : Philippe Pernod, Nicolas Tiercelin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et Nanotechnologies, Acoustique et Télécommunications
• Date : Soutenance le 24/01/2017
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Lille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Sabine Szunerits
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Serge Ravaine, Jean Juraszek, Vladimir Preobrazhensky, Yujun Song
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nora Dempsey, Jérôme Plain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonance plasmonique de surface

Spectroscopie de réflectance

Nanoparticules

Nanostructures

Mots clés libres

Nanostructuration

Magnétoplasmonique

Anistropie Magnétique

Nanoparticules

Nanopores

SPP

LPP

RIfS

Nanostructuration

Magnetoplasmonic

Magnetic anistropy

Nanoparticles

Nanopores

SPP

LSP

RifS

Résumé

Ce travail de thèse porte sur le contrôle des propriétés de trois systèmes magnéto-plasmoniques grâce à différents types de nanostructuration. Ces structures sont basées respectivement sur la Propagation de Plasmons de Surface (SPP), les Plasmons de Surface Localisés (LSP) et la spectroscopie d’interférences en réflexion (RIfS). La manipulation des propriétés magnéto-optiques (MO) pour une utilisation dans les biocapteurs est discutée. Le premier système est une structure SPP en couche mince de couches de métaux nobles et d’un matériau magnétique de type multicouche présentant une anisotropie uni-axiale contrôlée. L’anisotropie de la couche magnétique se reflète sur les propriétés plasmoniques. Une amélioration de l’activité magnéto-optique peut être mise à profit pour améliorer la sensibilité de capteurs basés sur cette structure. Le second dispositif est une structure LSP avec nanoparticules d’or et d’une couche magnétique continue. Il est démontré qu’une couche diélectrique entre la couche magnétique et les nanoparticules d’or est indispensable pour préserver la résonance plasmonique. L’épaisseur de la couche magnétique a un effet sur cette dernière qui peut en principe être mise à profit pour influer sur l’activité magnéto-optique. La troisième approche est une structure RIfS composée d’un système multicouche magnéto-plasmonique Ag/ITO/CoFeB/ITO/Ag déposé sur un substrat nanoporeux d’oxyde d’aluminium anodique (AAO). Le signal RIfS dépend de la taille et de la longueur des nanopores. Le diamètre des nanopores affecte également la réponse magnéto-optique en réflexion en générant une inversion du signe des cycles d’aimantation mesurés par effet Kerr.

This PhD dissertation deals with the tuning of the magneto-optical (MO) response of three different magnetoplasmonic systems by using different nanostructuration schemes. They are structures based on SPPs, LSPs and RIfS, respectively. The manipulation of MO activity to be used in biosensors and to improve the sensitivity is also discussed. The first system is thin-film SPP structure consisting of magnetic and plasmonic layers, where the magnetic part is nanostructured multilayers with controlled uni-axial anisotropy. The uni-axial anisotropic properties of the multilayered magnetic materials were clearly reflected on the plasmonic properties of the system. An enhancement in the MO activity can be used to improve the sensitivity of the sensors based on this structure. The second system is a LSP-based magnetoplasmonic structure consisting of Au nanoparticle arrays and continuous magnetic layers. It is demonstrated that a dielectric layer in between Au nanoparticles and ferromagnetic layers is indispensable in order to preserve the plasmonic resonance. The thickness of magnetic layers has an effect on the plasmonic property, which can be further used to tune the MO activity. The third system is a hybrid RIfS structure with a magnetoplasmonic multilayer Ag/ITO/CoFeB/ITO/Ag deposited on a nanoporous AAO substrate. The RIfS signal depends on both the size and the length of the nanopores. The diameter of the nanopores also affects the MO response by generating a reversal in the sign of the Kerr loops. This can be viewed as the tuning factor of MO activity of the structure.