Étude des propriétés de champ proche et de champ lointain des nano-antennes infrarouges

par Claire Li

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Yannick De Wilde et de Riad Haïdar.

Soutenue le 19-12-2019

à Paris Sciences et Lettres (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....) , en partenariat avec Institut Langevin-Ondes et images (Paris ; 1997-....) (laboratoire) , Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (établissement opérateur d'inscription) et de Institut Langevin - Ondes et Images (laboratoire) .

Le président du jury était François Marquier.

Le jury était composé de Yannick De Wilde, Riad Haïdar, François Marquier, Béatrice Dagens, Michel Kazan, Jérémie Drevillon.

Les rapporteurs étaient Béatrice Dagens, Michel Kazan.

mots clés

• Champ proche optique
• Nano-Antenne
• Infrarouge moyen
• Émission thermique
• Plasmonique

Résumé

Les nano-antennes permettent la manipulation spatiale et spectrale de la lumière à des échelles petites devant la longueur d'onde. Elles peuvent être arrangées en réseaux en périodisant un motif afin de réaliser des métasurfaces aux propriétés optiques spatialement homogènes et accordables. Une application prometteuse est l'utilisation de nano-antennes en tant qu'émetteurs thermiques pour la conception de sources infrarouges performantes qui s'affranchissent des limitations des sources conventionnelles. Cependant, les mesures effectuées sur de tels ensembles font survenir des effets collectifs comme du couplage inter-antenne, qui sont susceptibles de perturber la réponse optique globale par rapport à celle de la cellule unité. L’objectif de cette thèse est de développer des méthodes expérimentales à haute sensibilité et résolution pour caractériser la réponse optique intrinsèque d’un objet sub-longueur d’onde de sorte à mieux comprendre les processus résonants à l’échelle de la nano-antenne unique. L’étude repose sur deux axes de recherche principaux, l’un dédié à une technique d’imagerie de champ proche faisant appel à un microscope à effet tunnel à rayonnement thermique capable d’atteindre la super-résolution, l’autre consacré au développement d’un montage expérimental original permettant d’extraire le spectre d’émission d’une nano-antenne unique en champ lointain. Suite aux résultats obtenus avec des nano-antennes uniques, des structures plus complexes comportant plusieurs nano-antennes sont examinées pour caractériser leur interaction. Ces travaux ouvrent des perspectives intéressantes pour améliorer la conception de structures nanophotoniques basées sur les nano-antennes et maîtriser leur comportement à la fois dans le champ proche et le champ lointain.

mots clés

• Near-Field optics
• Nanoantenna
• Mid-Infrared
• Thermal radiation
• Plasmonics

Titre traduit

Near-field and far-field properties of infrared nano-antennas

Résumé

Nanoantennas have the ability to manipulate light both spatially and spectrally at the nanoscale. They can be arranged in arrays by the periodization of a pattern in order to construct tunable metasurfaces with spatially homogeneous properties. A promising application is the use of nanoantennas as thermal emitters for the design of infrared sources that bypass the limitations of conventional ones. Nevertheless, ensemble measurements give rise to collective effects such as inter-antenna coupling that are liable to impair the global optical response compared to that of the unit cell. The objective of this thesis is to develop highly-sensitive experimental methods that can resolve the intrinsic optical response of a subwavelength structure so that resonant processes at the single nano-antenna scale are better understood.The study hinges on two main research axes, one dedicated to a near-field technique using a thermal radiation scanning tunneling microscope for super-resolved imaging, the other pertaining to the development of an original experimental set-up that can extract the emission spectrum of a single nanoantenna in the far field. Following the results obtained with single nanoantennas, more complex structures comprised of several nanoantennas are investigated to characterize their interaction. This work paves the way towards design improvement of nanophotonic structures based on nanoantennas and control over their behavior in both the near field and the far field.