Conception, caractérisation et applications de métamatériaux nanopériodiques plasmoniques pour biocapteurs

Design, characterisation and biosensing applications of nanoperiodic plasmonic metamaterials

• Auteur / Autrice : Artem Danilov
• Direction : Andrei Kabashin, Alexander Grigorenko
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique et Traitement d'Image
• Date : Soutenance le 11/04/2018
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire lasers, plasmas et procédés photoniques (LP3) (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Pierre-François Brevet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Igor Ozerov, Nicolas Bonod
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Arkadi Chipouline, Tatiana Govorykha Itina

Mots clés

Mots clés contrôlés

Raman, Effet augmenté en surface

Dimères

Nanoparticules

Nanostructures

Champ électrique cristallin

Métamatériaux

Biocapteurs

Mots clés libres

Biocapteurs plasmoniques

Métamatériaux plasmoniques

Pslr

Spp

Lspr

Sers

Asnom

Plasmonic biosensors

Plasmonic metamaterials

Plasmonic Surface Lattice Resonances

Surface Plasmon Resonance

Localized Surface Plasmon Resonance

Surface Enhanced Raman Spectroscopy

Apertureless Scanning Near-Filed Optical Microscopy

Résumé

Cette thèse considère de nouvelles architectures prometteuses des métamatériaux plasmoniques pour biosensing, comprenant: (I) des réseaux périodiques 2D de nanoparticules d'Au, qui peuvent supporter des résonances des réseaux de surface couplées de manière diffractive; (II) Reseaux 3D à base de cristaux plasmoniques du type d'assemblage de bois. Une étude systématique des conditions d'excitation plasmonique, des propriétés et de la sensibilité à l'environnement local dans ces géométries métamatérielles est présentée. On montre que de tels réseaux peuvent combiner une très haute sensibilité spectrale (400 nm / RIU et 2600 nm / RIU, ensemble respectivement) et une sensibilité de phase exceptionnellement élevée (> 105 deg./RIU) et peuvent être utilisés pour améliorer l'état actuel de la technologie de biosensing the-art. Enfin, on propose une méthode de sondage du champ électrique excité par des nanostructures plasmoniques (nanoparticules uniques, dimères). On suppose que cette méthode aidera à concevoir des structures pour SERS (La spectroscopie du type Raman à surface renforcée), qui peut être utilisée comme une chaîne d'information supplémentaire à un biocapteur de transduction optique.

This thesis consideres novel promissing architechtures of plasmonic metamaterial for biosensing, including: (I) 2D periodic arrays of Au nanoparticles, which can support diffractively coupled surface lattice resonances; (II) 3D periodic arrays based on woodpile-assembly plasmonic crystals, which can support novel delocalized plasmonic modes over 3D structure. A systematic study of conditions of plasmon excitation, properties and sensitivity to local environment is presented. It is shown that such arrays can combine very high spectral sensitivity (400nm/RIU and 2600 nm/RIU, respectively) and exceptionally high phase sensitivity (> 105 deg./RIU) and can be used for the improvement of current state-of-the-art biosensing technology. Finally, a method for probing electric field excited by plasmonic nanostructures (single nanoparticles, dimers) is proposed. It is implied that this method will help to design structures for SERS, which will later be used as an additional informational channel for biosensing.