Optimisation thermique de nanostructures plasmoniques : conception, modélisation et caractérisation

Thermal optimization of plasmonic nanostructures : conception, simulation and characterization

• Auteur / Autrice : Adrien Lalisse
• Direction : Gilles Tessier, Jérôme Plain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 03/03/2017
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Neurophotonique UMR 8250. Unité mixte de recherche (Paris ; 2014-2018)
• Jury : Président / Présidente : Agnès Maître
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Ben-Abdallah, Alexandre Bouhelier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Holographie

Lithographie par faisceau d'électrons

Nanostructures

Nanophotonique

Mots clés libres

Thermoplasmonique

Nanostructure

Nanosource thermique

Optimisation numérique

Lithographie électronique

Holographie photothermique

Thermoplasmonics

Photothermal holography

Optical nanosource

Résumé

Un des défis majeurs auquel la communauté de la nano-optique aura à répondre dans les années à venir sera de concentrer l'énergie lumineuse à l'échelle du nanomètre de façon à créer une nanosource optique ou thermique intense à même d'alimenter de futurs dispositifs. Les nanoparticules métalliques, supportant une résonance plasmon de surface, sont idéales pour de telles applications. Dans ce contexte, cette thèse a pour vocation d'apporter un élément de réponse aux problématiques d'optimisation thermique aux échelles nanométriques et de proposer une nouvelle technique de nanothermométrie. A l'aide de simulations numériques, nous avons pu mettre en évidence les propriétés de génération de chaleur des nitrures de titane et de zirconium, dépassant celle de l'or, qui en font alors des matériaux de choix pour concevoir et fabriquer des nanosources thermiques dans le visible. Nous avons également obtenu une morphologie de particules induisant un échauffement maximal pour une longueur d'onde donnée : une nanoétoile à trois branches. Nous avons ensuite fabriqué des nanostructures d'or par lithographie électronique afin de les caractériser par holographie photothermique. En utilisant les deux types d'informations accessibles avec cette technique, l'amplitude et la phase optique, nous nous sommes alors efforcés à quantifier l'élévation de température de nanobâtonnets d'or. L'holographie photothermique d'amplitude a permis d'obtenir des mesures de température semi-quantitatives et, la technique de phase, encore préliminaire, se révèle intéressante et innovante pour étudier les propriétés thermoplasmoniques de nanostructures plasmoniques.

Focusing light on the nanoscale in order to create intense optical or thermal nanosources is probably the main challenge facing the nano-optics community, in order to power up future devices. Metallic nanoparticles and their surface plasmon resonance are ideal optical or thermal nanosources.In this context, this thesis aims at providing a possible solution to the issues of thermal optimization at the nanoscale and nanothermometry.By carrying out numerical simulations, we were able to highlight the heat generation properties of titanium and zirconium nitrides, exceeding those of gold, which make them ideally suited in order to conceive and fabricate heat nanosources in the visible. We also managed to obtain a particle morphology inducing a maximum heating at a given wavelength : a three-branchs nanostar.We fabricated gold nanostructures by e-beam lithography in order to characterize them with photothermal holography. By exploiting the two kind of informations available with this far-field optical technique, the amplitude and the optical phase, we strove to quantify the temperature variations of gold nanorods. The photothermal holography setup based on amplitude delivered semi-quantitative temperature measurements, and the phase based-technique, still at a preliminary stage of developpement, proves to be a new and promising tool for the study of optical and thermal properties of plasmonic nanostructures.