Micro-capteurs SERS basés sur les circuits photoniques-plasmoniques et les nanoparticules métalliques

Micro SERS sensors based on photonic-plasmonic circuits and metallic nanoparticles

• Auteur / Autrice : Feng Tang
• Direction : Pierre-Michel Adam, Salim Boutami
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Optique et Nanotechnologie
• Date : Soutenance le 15/09/2017
• Etablissement(s) : Troyes
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Troyes, Aube)
• Partenaire(s) de recherche : Organisme gouvernemental étranger : CSC (China Scholarship Council)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d’Electronique des Technologies de l’Information (Leti), CEA - Institut Charles Delaunay / ICD
• Jury : Président / Présidente : Eric Finot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Michel Adam, Salim Boutami, Eric Finot, Abdellatif Akjouj, Nordin Felidj, Sylvain Blaize, Paul-Antoine Hervieux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdellatif Akjouj, Nordin Felidj

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique intégrée

Plasmons

Capteurs optiques

Raman, Effet augmenté en surface

Mots clés libres

Raman, Effet augmenté en surface

Capteurs optiques

Plasmons

Optique intégrée

Raman effect, Surface enhanced

Optical detectors

Plasmons (Physics)

Integrated optics

Résumé

La spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS) est largement utilisée comme un outil non-intrusif et sans marquage pour identifier les empreintes spectrales moléculaires dans des applications comme la pharmacologie, la salubrité des aliments, etc. Cette thèse présente un micro-capteur SERS basé sur un guide d'ondes hybride constitué de fentes métalliques (Au/Al) et de rubans diélectriques (Si3N4) et sur une méthode pour promouvoir la capacité de détection SERS en plaçant des nanoparticules métalliques dans la fente du capteur. L'étude théorique du capteur est principalement menée par la méthode des différences finies dans le domaine temps en trois dimensions (3D-FDTD) qui fournit la réponse électromagnétique à large bande des nanostructures métalliques. Les facteurs d'exaltation du capteur sont estimés par l’approximation |E|4. Les expériences sont basées principalement sur la fabrication de fentes métalliques, qui est réalisée par la lithographie à faisceau d'électrons (EBL), et sur la caractérisation de la capacité de détection SERS des capteurs. Les résultats montrent que les signaux Raman donnés par les capteurs SERS sont détectables. Les nanoparticules métalliques, qui sont situées dans le capteur, peuvent améliorer considérablement la capacité de détection SERS. En combinant le capteur SERS avec les éléments photoniques et électroniques, un système de détection SERS entièrement intégré sur une puce peut être développé dans un proche avenir pour des détections SERS portables et stables

Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) is widely used as a non-intrusive and label-free tool to identify the molecular spectral fingerprints in pharmacology, biology, etc. This thesis presents a SERS sensor based on the hybrid waveguide made of metallic (Au/Al) slots and dielectric (Si3N4) strips and a method to improve the SERS-detection capacity by placing metallic nanoparticles into the sensor’s slot. The theoretical investigation of the sensor is mainly conducted by the 3D finite-difference time-domain method (3D-FDTD) which provides the broadband electromagnetic response of metallic nanostructures. The enhancement factors in the sensor’s slot are estimated based on the |E|4-approximation. The experiments are mainly the fabrication of metallic slots, which is conducted by the electron beam lithography (EBL), and the characterization of the SERS-detection capacity of the sensors. The results show that the Raman signals given out by the SERS sensors are detectable. Metallic nanoparticles, which are located in the sensor’s slot, can improve dramatically the SERS-detection capacity. By combining the SERS sensor with the extended photonic and electronic elements, a fully integrated-on-chip SERS detection system on a chip can be developed in the near future for portable and stable SERS detections