Conception et réalisation de dispositifs et portes logiques plasmoniques par ingénierie modale de cavités métalliques cristallines bidimensionnelles

Plasmon logic gates designed by modal engineering of 2-dimensional crystalline metal cavities

• Auteur / Autrice : Upkar Kumar
• Direction : Erik Dujardin, Aurélien Cuche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 08/11/2017
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (Toulouse ; 1988-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Luminescence

Nanoparticules d'or

Résonance plasmonique de surface

Mots clés libres

Nanoplasmonique

Portes logiques

Nanoparticule d'or

Luminescence non-linéaire

Nanoplasmonics

Gold nanocrystals

Logic gate device

Non-linear luminescence

Spectroscopy

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 de 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. 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.

The main objective of this PhD work is to design, fabricate and characterize plasmonic devices based on highly crystalline metallic cavities for the two-dimensional information transfer and logic gate operations. First, we thoroughly characterize the optical response of ultra-thin gold colloidal cavities of sub-micronic size (400 to 900 nm) by dark- field spectroscopy (Fig. 1a). The dispersion of the high order plasmonic resonances of the cavities is measured and compared with a good agreement to simulations obtained with a numerical based on the Green Dyadic Method (GDM). We further extend our experiments to systematically tune the spectral responses of these colloidal nanoprisms in vicinity of metallic thin film substrates. A comprehensive study of these sub-micronic size cavity in bowtie antenna configuration is performed. We show a polarization-dependent field enhancement and a nanoscale field confinement at specific locations in these bowtie antennas. We systematically study the effects that could potentially affect the plasmonic resonances by non-linear photon luminescence microscopy, which has proved to be an efficient tool to observe the surface plasmon local density of states (SPLDOS). Inparticular, we show that an effective spatially and spectrally tuning of the high order plasmonic resonances can be achieved by the modification of the substrate (dielectric or metallic), by the controlled insertion of a defect inside a cavity or by the weak electromagnetic coupling between two adjacent cavities. The rational tailoring of the spatial distribution of the 2D confined resonances was applied to the design of devices with tunable plasmon transmittance between two connected cavities. The specific geometries are produced by focused ion milling crystalline gold platelets. The devices are characterized by non-linear luminescence mapping in confocal and leakage radiation microscopy techniques. The latter offers a unique way to observe propagating SPP signal over a 2D plasmonic cavity. We demonstrate the polarization-dependent mode-mediated transmittance for devices withadequate symmetry. The results are faithfully reproduced with our simulation tool based on Green dyadic method. Finally, we extend our approach to the design and fabrication of a reconfigurable logic gate device with multiple inputs and outputs. We demonstrate that 10 out of the possible 12 2-input 1-output logic gates can be implemented on the same structure by choosing the two input and the one output points. We also demonstrate reconfiguration of the device by changing polarization of the incident beam, set of input locations and threshold of the non-linear luminescence readout signal.