Cette thèse expérimentale, réalisée au CEMES dans le cadre du projet ANR PlaCoRe, explore les possibilités d’ingénierie spatiale et spectrale des résonances plasmon d’ordre supérieur supportées par des nanoplaquettes prismatiques d’or en vue de construire des composants de conversion, transfert et de portes logique.
Composition du jury
- Céline Fiorini-Debuisschert, Ingénieur CEA, rapporteur
- Antoine Moreau, Maitre de Conférences, rapporteur
- Cyriaque Genêt, Directeur de recherche, examinateur
- David Guéry-Odelin, Professeur des universités, examinateur
- Alexandre Bouhelier, Directeur de recherche, invité
- Christian Girard, Directeur de recherche, invité
- Erik Dujardin, Directeur de recherche, directeur de thèse
- Aurélien Cuche, Chargé de recherche, directeur de thèse
Résumé
L’objectif principal de cette thèse est de concevoir, fabriquer et caractériser les dispositifs plasmoniques basés sur les cavités métalliques bidimensionnelles monocristallines pour le transfert d’information et la réalisation d’opérations logiques. Les fonctionnalités ciblées émergent de l’ingénierie spatiale et spectrale des résonances plasmon d’ordre supérieur supportées par ces cavités prismatiques. Les nouveaux éléments étudiés dans cette thèse ouvrent la voie à de nouvelles stratégies de transfert et de traitement de l’information en optique intégrée et miniaturisée.
Dans un premier temps, nous caractérisons la réponse optique des nanoplaquettes d’or ultra-fines et de taille submicronique (400 à 900 nm) par spectroscopie en champ sombre. La dispersion des résonances plasmoniques d’ordre supérieur de ces cavités est mesurée et comparée avec un bon accord aux simulations obtenues par la méthode des dyades de Green (GDM). En outre, nous présentons une analyse par décomposition lorentzienne des réponses spectrales de ces nanoprismes déposés sur des minces substrats métalliques. Cette caractérisation du comportement plasmonique associé à ces cavités cristallines nous permet de développer plusieurs approches pour une ingénierie modale efficace.
Nous avons, par ailleurs systématiquement étudié les effets qui pourraient modifier les résonances plasmoniques par microscopie de luminescence non-linéaire, qui s’est avérée un outil efficace pour observer la densité d’états locale des plasmons de surface (SPLDOS). En particulier, nous montrons que les caractéristiques spectrale et spatiale des résonances plasmoniques d’ordre supérieur peuvent être modulées par la modification du substrat (diélectrique ou métallique), par l’insertion contrôlée d’un défaut dans la cavité ou par le couplage électromagnétique, même faible, entre les deux cavités.
L’ingénierie rationnelle de la répartition spatiale des résonances confinées 2D a été appliquée à la conception de dispositifs à transmittance accordable entre deux cavités connectées. Les géométries particulières sont produites par gravure au faisceau d’ions focalisé sur des plaquettes cristallines d’or. Les dispositifs sont caractérisés par cartographie de luminescence non-linéaire en microscopie confocale et en microscopie de fuites. Cette dernière méthode offre un moyen unique d’observer la propagation du signal plasmon dans la cavité. Nous démontrons la dépendance en polarisation de la transmission plasmonique dans les composants à symétrie et géométrie adéquates. Les résultats sont fidèlement reproduits par notre outil de simulation GDM adapté à la configuration de transmission.
Enfin, notre approche est appliquée à la conception et à la fabrication d’une porte logique reconfigurable avec plusieurs entrées et sorties. Nous démontrons que dix des douze portes logiques possibles à 2 entrées et 1 sortie sont activable sur une même structure en choisissant les trois points d’entrée et de sortie et en ajustant le seuil de luminescence non-linéaire pour le signal de sortie.