Theorical and experimental study of plasmonic metamaterials for infrared application

par Fatima Omeis

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Emmanuel Centeno.

Soutenue le 15-09-2017

à Clermont Auvergne , dans le cadre de École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand) , en partenariat avec Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme) (laboratoire) .

Le président du jury était Béatrice Dagens.

Le jury était composé de Nathalie Destouches, Olivier Gauthier-Lafaye, Thierry Taliercio, Rafik Smaali.

Les rapporteurs étaient Nathalie Destouches, Olivier Gauthier-Lafaye.

  • Titre traduit

    Etude théorique et expérimentale de métamatériaux plasmiques pour l'application infrarouge


  • Résumé

    Le contrôle des ondes électromagnétiques joue un rôle fondamental dans les technologies photoniques actuelles. De nos jours, on assiste à une demande croissante de composants agiles capable d'absorber efficacement les ondes électromagnétiques dans divers gamme de fréquences. Habituellement, ces absorbeurs s'appuient sur les résonances plasmoniques qui apparaissent dans les métaux nobles dans la gamme visible. Cependant, l'extension des propriétés plasmoniques aux spectres infrarouge et THz nécessite des matériaux adéquats ayant un comportement métallique à ces fréquences. Dans ce travail, nous étudions numériquement et expérimentalement les structures métal-isolant-métal (MIM) réalisées à partir de semi-conducteur hautement dopé Si: InAsSb qui a un comportement métallique dans la gamme infrarouge. Dans la deuxième partie, nous avons amélioré l'efficacité des résonateurs MIM en utilisant des métamatériaux hyperboliques qui miniaturisent les résonateurs. Dans la dernière partie, nous proposons un design universel ultra-mince qui permet de dépasser les contraintes associées au choix des matériaux et permettant la réalisation d'un absorbeur fonctionnant sur une gamme spectrale allant de l'infrarouge aux micro-onde.


  • Résumé

    The control of light absorbance plays a fundamental role in today's photonic technologies. And the urge to design and develop flexible structures that can absorb electromagnetic waves is very growing these days. Usually, these absorbers relies on plasmonic resonances that arise in noble metals in the visible range. However, the extension of the plasmonic properties to the infrared and THz spectra requires adequate materials that have a metallic behavior at these frequencies. In this work, we study numerically and experimentally the metal-insulator-metal (MIM) structures realized from highly doped semiconductor Si:InAsSb that has a metallic behavior in the infrared range. In the second, part we improved the efficiency of the MIM resonators by using hyperbolic metamaterials that also miniaturize the resonators. In the last part, we propose an ultra-thin universal design that overcomes the material barrier so that the total absorption can be achieved for different spectral ranges without changing the material.


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