Fabrication et caractérisation d'antennes patch plasmoniques

Fabrication and characterization of plasmonic patch nanoantennas

• Auteur / Autrice : Juan Uriel Esparza Villa
• Direction : Agnès Maître
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/04/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des nanosciences de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Tessier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aloyse Degiron, Lionel Aigouy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Marquier, Rafael Salas-Montiel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photolithographie

Optique quantique

Spectroscopie de fluorescence

Résonance plasmonique de surface

Nanocristaux semiconducteurs

Mots clés libres

Nanoantenne

Plasmonique

Nanocristaux semiconducteurs

Lithographie optique

Fluorescence

Effet Purcell

Nanoantenna

Plasmonics

Semiconductor nanocrystals

Optical lithography

Fluorescence

Purcell effect

Résumé

Nous étudions l'interaction lumière-matière d’un nanocristal CdSe/CdS individuel et une antenne patch plasmonique. Les études réalisées dans le cadre de ce travail peuvent être visualisées en deux parties. En première, nous avons caractérisé les propriétés de photoluminescence d'un nanocristal individuel en termes de la dynamique et la spectroscopie à différents conditions d’excitation. Les nanocristaux semi-conducteurs sont des sources de photon-unique à température ambiante. Néanmoins, l’émission multi-excitonique de ces émetteurs est possible lorsque la recombinaison de deux ou plus excitons devient radiative. Nous avons développé un modèle analytique qui permet de décrire le nombre de photons émis en fonction du nombre moyen d’excitons créés par une impulsion laser. Le modèle nous a permis d'estimer le rendement quantique de la transition bi-excitonique. La deuxième partie est consacrée à l'optimisation d’un protocole de fabrication d’antennes patch. Nous avons établi un protocole de lithographie optique qui permettre de coupler un nanodisque d’or avec un nanocristal individuel de manière déterministe. En première temps, nous avons fabriqué antennes passives afin d'analyser les propriétés de réflectivité de la structure, puis nous avons fabriqué des antennes couplées à une boite quantique. Nous avons montré la modification de l’émission spontanée due au couplage avec l’antenne. Nous avons mis en évidence une émission super-poissonnienne de l’antenne après un filtrage temporel, ainsi que l’émission de lumière partialement cohérente.

In this thesis, we exploit light-matter interaction between a single semiconductor CdSe/CdS nanocrystal and a plasmonic patch antenna. This work can be divided in two main parts. We have first characterized the photoluminescence dynamics and spectroscopic signatures of single nanocrystals at different excitation powers. High quality CdSe/CdS nanocrystals are single-photon sources at room temperature. Nevertheless, multiexcitonic emission occurs when two or more excitons are recombining radiatively. We have developed an analytical model which describes the number of photons emitted by a nanocrystal as a function of the mean number of excitons created in one excitation pulse. With this model, we can calculate the quantum efficiency of the bi-exciton recombination. The second part is devoted to the development and optimization of an optical lithography protocol for patch antennas. We have stablished a protocol that allows us to couple a thin Au nano-disk above a single nanocrystal in a deterministic way. We have first fabricated passive nanoantennas in order to study reflectivity spectroscopic properties in the plasmonic structure. Later on, we have fabricated several active patch nanoantennas coupled with single CdSe/CdS nanocrystals. We have demonstrated the acceleration of spontaneous emission thanks to the coupling with the plasmons nanodisk. For some antennas, we have evidenced a super-poissonian emission signature when a post-processing temporal filter is applied. Finally, we have evidenced the emission of light partially coherent of one antenna in the proximity of the metallic square edge.