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

Theorical and experimental study of plasmonic metamaterials for infrared application

• Auteur / Autrice : Fatima Omeis
• Direction : Emmanuel Centeno
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/09/2017
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Béatrice Dagens
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Destouches, Olivier Gauthier-Lafaye, Thierry Taliercio, Rafik Smaali
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Destouches, Olivier Gauthier-Lafaye

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs

Métamatériaux

Mots clés libres

Plasmonique

Semi-conducteurs dopés

Métamatériaux

THz

Gap plasmon

Résonateurs MIM

Plasmonics

Highly doped semiconductors

Hyperbolic metamaterials

THz

Gap plasmon

MIM resonators

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.

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.