Métamatériaux optiques : conception, fabrication à grande échelle et caractérisation

par Mayte Gomez Castano

Thèse de doctorat en Physico-Chimie de la Matière Condensée

Sous la direction de Serge Ravaine.

Soutenue le 18-09-2020

à Bordeaux en cotutelle avec l'Universitat autònoma de Barcelona , dans le cadre de École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde) , en partenariat avec Centre de Recherche Paul Pascal (Pessac) (laboratoire) .

Le président du jury était Mona Tréguer-Delapierre.

Le jury était composé de Béatrice Dagens, David Grosso, Agustín Mihi, Alvaro Blanco, Gervasi Herranz.

Les rapporteurs étaient Béatrice Dagens, David Grosso.

mots clés

• Métamatériaux
• Indice de réfraction négatif
• Lithographie colloïdale
• Lithographie par nanoimpression
• Électrodéposition
• Plasmonique
• Métamatériaux -- Propriétés optiques
• Résonance plasmonique de surface
• Nanophotonique

Résumé

Les métamatériaux sont des matériaux structurés artificiellement, soigneusement designés pour obtenir des réponses électromagnétiques inobservables dans la nature, telles qu’un indice de réfraction négatif. Le but de cette thèse est le développement de métamatériaux optiques à grandes échelles pouvant être incorporés au sein de dispositifs réels. En combinant la lithographie colloïdale avec l’électrodéposition, nous avons réalisé par voie ascendante des métamatériaux de type « fishnet » faits de couches d’or et air, présentant un indice de réfraction qui varie entre valeurs positives et négatives dans le proche infrarouge. Des multicouches de type fishnet ont aussi été fabriquées en couplant la lithographie par nanoimpression et l’électrodéposition. Nous avons analysé en détail les réponses optiques de ces structures, qui présentent des valeurs négatives d’indice de réfraction du visible au proche infrarouge. Leur performance comme capteurs optiques a été étudiée via leur infiltration par différents liquides. Les différentes techniques d’élaboration précitées ont également été utilisées pour fabriquer des substrats métalliques nanostructurés afin d’étudier l’émission spontanée collective d’ensembles de molécules fluorescentes.

mots clés

• Metamaterials
• Negative refractive index
• Colloidal lithography
• Nanoimprint lithography
• Electrodeposition
• Plasmonics

Titre traduit

Optical metamaterials : design, up-scalable fabrication and characterization

Résumé

Metamaterials are artificially structured materials, thoroughly designed for achieving electromagnetic properties not observed in nature such as the negative refractive index. The purpose of this thesis is the development of up-scalable optical metamaterials that can be easily incorporated into actual devices. By combining colloidal lithography and electrodeposition, we report an entirely bottom-up fishnet metamaterial made of gold and air layers. A proper theoretical and experimental design gives rise to tunable refractive index, from positive to negative values in the near infrared. This structure is extended to multilayered fishnet metamaterials made by nanoimprint lithography and electrodeposition. We thoroughly analyze the optical response of the structures, which lead to strong negative index from the visible to near infrared. Their performance as optical sensors is studied when infiltrating different liquids through the air cavities. These techniques are used to fabricate nanostructured metallic substrates for studying the collective spontaneous emission of fluorescent molecules.