Etude des sensibilités de détection LSPR et Raman des réseaux de cavités circulaires en métal-isolant-métal (MIM)

Investigation of LSPR and Raman Sensing Sensitivities of Circular Metal-insulator-metal (MIM) Cavity Arrays

• Auteur / Autrice : Fang Dai
• Direction : Pierre-Michel Adam, Monika Fleischer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Optique, Nanotechnologie
• Date : Soutenance le 03/07/2019
• Etablissement(s) : Troyes en cotutelle avec Eberhard-Karls-Universität (Tübingen, Allemagne)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Troyes, Aube)
• Partenaire(s) de recherche : Organisme gouvernemental étranger : CSC (China Scholarship Council)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Delaunay / ICD
• Jury : Président / Présidente : Nordin Felidj
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Monika Fleischer, Nordin Felidj, Joël Bellessa, Christoph Lienau, Alfred J. Meixner
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Joël Bellessa, Christoph Lienau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs (technologie)

Raman, Effet augmenté en surface

Propriétés optiques

Fabry-Pérot, Interféromètres de

Nanoparticules

Plasmons

Mots clés libres

Plasmons

Nanoparticules

Fabry-Pérot, Interféromètres de

Propriétés optiques

Raman, Effet augmenté en surface

Capteurs

Plasmons (Physics)

Nanoparticles

Fabry-Pérot interferometers

Optical properties

Raman effect, surface enhanced

Sensing

Résumé

Nous avons étudié les performances des structures verticales métal-isolant-métal (MIM) en tant que capteurs d'indice de réfraction (RI) et substrats SERS (Raman augmenté en surface). Les structures en disques sur films avec différents paramètres géométriques et différentes configurations d'espaceurs ont été étudiées de manière systématique par des expériences et des simulations. Les modèles circulaires de cavité FP (Fabry-Pérot) ont été appliqués pour décrire les modes de plasmon dans les cavités MIM. Les modes de la cavité ont été divisés en modes de bord et modes de surface, ce qui montre différentes variations avec la gravure humide, les performances de détection RI et SERS. La dépendance des modes de plasmon de la cavité en fonction de la périodicité, du rayon de la cavité et de sa hauteur a été étudiée. La raison des différentes raies présentes dans les spectres optiques en champ lointain a été révélée. L'influence de différents espaceurs sur la localisation des 'points chauds' et des longueurs d'onde de résonance a été systématiquement étudiée. Les 'points chauds' des modes dans la cavité ont été révélés par gravure humide. Les sensibilités RI des structures MIM ont été minutieusement étudiées. Des EF (facteur d'amélioration) SERS notables ont été atteints en sous-gravant. Des pics EF attribuables à différents ordres de modes de plasmon dans la cavité ont été observés à la fois dans les expériences et les simulations. Une comparaison de performance SERS a été faite entre le dimère de disque sur film et les dimères de disque verticaux.

We investigate the performance of vertical metal-insulator-metal (MIM) structures as refractive index (RI) sensor and SERS (surface enhanced Raman scattering) substrate. The disc-on-film structures with different geometrical parameters and different spacer configurations were studied systematically by experiments and simulations. The circular FP (Fabry-Pérot) cavity model was applied to describe the cavity plasmon modes which were divided into edge cavity modes and surface cavity modes, showing different optical response to wet etching, RI sensing and SERS. The dependencies of cavity plasmon modes as a function of periodicity, cavity radius and cavity height were studied. The reasons for different line shapes of far-field optical spectra were revealed. The influences of varying spacer on the locations of 'hot spots' and resonance wavelengths were systematically studied. The 'hot spots' of cavity plasmon modes were exposed by wet etching. The RI sensitivities of MIM structures were thoroughly studied including different types plasmonic modes, sensing based on spectral shifts and intensity changes, and bulk/molecular RI sensing configurations. Notable SERS EFs (enhancement factors) were achieved by underetching. EF peaks attributing to different orders of cavity plasmon modes were observed in both experiments and simulations. Good qualitative agreement was found between the experimental and simulated results. Similar depnedency of effective SERS EF as a function of cavity radius was found for vertical disc dimers compared to disc-on-film substrate.