Modélisation et simulations de structures plasmoniques composites à base de graphène et de métaux

Modeling and simulation of composite plasmonic structures based on graphene and metals

• Auteur / Autrice : Maha Ben Rhouma
• Direction : Kofi Sényo Edee, Mauro Antezza
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Systèmes
• Date : Soutenance le 24/02/2021
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Brahim Guizal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ségolène Callard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Dominique Barchiesi, Fadi Issam Baida

Mots clés

Mots clés contrôlés

Graphène

Résonance plasmonique de surface

Mots clés libres

Graphène

Plasmoniques

Modélisation numérique

Structures magnéto-plasmoniques non réciproques

Graphene

Plasmonics

Numerical modeling

Non-reciprocal magneto-plasmonic structures

Résumé

Ce travail de thèse concerne la modélisation dans le domaine de la nanophotonique (interaction de la lumière avec des objets de taille nanométrique) et la plasmonique en particulier. Cette dernière est une thématique de recherche qui a connu un grand attrait au niveau international durant les dernières décennies découlant des propriétés optiques uniques et inhabituelles des plasmons polaritons de surface (PPs) telles que le confinement et l’exaltation du champ EM à des échelles sub-longueur d’onde. Les PPS ont été découverts et étudiés dans le visible avec les métaux nobles tels que l’Or et l’Argent dont les fréquences plasma se situent dans cette gamme de fréquences. Cependant, dans le domaine THz, ces matériaux souffrent de pertes très importantes ce qui dégrade leurs performances et limite plusieurs applications dans ce domaine qui est devenu un domaine attrayant au cours des dernières années. Le grand intérêt pour cette gamme de fréquences découle de son importance pour diverses applications technologiques déjà existantes pour les autres gammes de fréquences du spectre électromagnétique et jusque-là non disponibles pour la gamme THz (imagerie médicale et sécuritaire, capteurs d’agents chimiques et/ou biologiques, radars compacts...). Ces limitations ont été surmontées, en partie, avec l’avènement du graphène, un seul feuillet de graphite, qui consiste en un arrangement périodique et bidimensionnel d’atomes de carbone disposés selon un réseau en nid d’abeilles. Ce matériau a suscité un immense intérêt, à la fois de la part de la communauté scientifique et des industriels, en raison de ses propriétés optiques et électrodynamiques particulières. En particulier, il est possible de contrôler et de modifier sa conductivité via un dopage électrostatique ou chimique. Grâce à ces propriétés, le graphène peut supporter des PPS avec des propriétés exceptionnelles telles qu’un confinement beaucoup plus important que celui des métaux et des pertes qui sont relativement faibles dans les domaines THz et Infra-Rouge lointain. Ceci fait du graphène un matériau prometteur pour la réalisation de nouveaux dispositifs commandables/contrôlables dans les domaines THz et Infra-Rouge. C’est dans ce contexte très concurrentiel que se sont inscrits les travaux de cette thèse qui visent à mettre au point des modèles théoriques pour étudier des structures plasmoniques à base de graphène et de construire des codes de calcul permettant la simulation de leur comportement.Les travaux présentés dans ce travail s’articulent autour de deux axes principaux : (i) le premier concerne l’étude de structures plasmoniques hybrides à base de graphène et de métaux en absence de champ magnétique statique externe (ii) le second porte sur l’investigation des propriétés magnéto-optiques et non-réciproques de structures à base de graphène et de métaux soumises à l’effet d’un champ magnétique. Dans le cadre de cette thèse, trois structures plasmoniques d’intérêt académique et technologique ont été explorées. L’étude de chacune de ces structures a été réalisée en deux étapes. Dans la première étape, les structures en question ont été étudiées de manière exacte en utilisant des méthodes numériques rigoureuses. Une fois le calcul exact établi et afin de mieux comprendre les résultats obtenus, un modèle semi-analytique approché a été développé pour chaque structure afin de reproduire de manière simple les résultats exacts trouvés par des calculs plus ou moins compliqués. Ces modèles simples ont permis d’interpréter et d’expliquer les spectres optiques des structures étudiées en termes de certains modes remarquables et de comprendre la physique sous-jacente. La première structure étudiée est un système plasmonique hybride constitué d’un réseau périodique, 1D sub-longueur d’onde, fait de nano-fentes gravées dans un métal, le tout étant déposé sur une couche diélectrique elle-même déposée sur une feuille de graphène. (...)

This thesis work concerns the theoretical modeling and numerical simulations in the areas of nanophotonics (light-matter interactions at the nanoscale) in general and plasmonics in particular. This latter field has received considerable attention over the last decades arising from the unique and unusual optical properties of surface plasmons polaritons such as the confinement and control of light at the subwavelength scale. Noble Metals such as gold and silver have usually been used as the building blocks for several plasmonic structures in the visible range. However, in the infrared (IR) and terahertz (THz) frequencies, these materials exhibit very large losses and are hardly tunable which limits their application as performant plasmonic devices in these frequencies ranges. To overcome this problem, graphene, a two dimensional (2D) material made of carbon atoms arranged in a honeycomb lattice, possessing extraordinary electrical, thermal, and optical properties, has emerged in the plasmonics field as a potential alternative plasmonic material working in the mid-infrared and terahertz (THz) frequencies ranges. In this context, the purpose of this thesis is to develop theoretical models for the study of novel graphene based plasmonic structures and construct numerical codes that allow the simulation of their behavior.The research presented in this work is articulated around two main axes: (i) the first one concerns the study of hybrid plasmonic structures based on graphene and metals in the absence of an external magnetic field (ii) the second is in the investigation of the magneto-optical and non-reciprocal properties of structures based on graphene and metals subjected to an external static magnetic field. In the framework of this thesis, three plasmonic structures of academic and technological interests have been explored. The study of each of these structures was carried out into two steps. In the first step, the structures in question were studied in an exact manner using rigorous numerical methods. Once the exact calculation was established and to better understand the obtained results, an approximate semi-analytical model was developed for each structure to reproduce in a simple way the exact results. These simple models allowed us to interpret and explain the optical spectra of the studied structures in terms of some remarkable modes and to understand the underlying physics.The First studied structure is a hybrid tunable plasmonic system consisting of a 1D array of periodic subwavelength metal slits and a graphene sheet separated by a dielectric gap. By splitting the whole system into two coupled sub-systems which involve two kinds of couplings, we have proposed a semi analytical model allowing to fully describe the spectrums of this system and understand the origin of the resonances appearing in them. After that, we have been interested in two different structures. First, we developed a simple and fast semi-analytical method to accurately and efficiently predict the magneto-optical response of a one-dimensional graphene strip grating in the presence of an external static magnetic field, in which the graphene is modeled as an anisotropic layer with atomic thickness and a frequency dependent complex permittivity tensor. Finally, we have studied the magneto-optical and non-reciprocal properties of a plasmonic structure consisting of a 2D array of nano-slits perforating a gold film. By extending the 1D model developed for the first structure, we succeeded to study and reproduce the magneto-optical spectra of this structure. First, we studied the response of the structure in the absence of a static magnetic field. Then, we added a static magnetic field and filled the slits with an anisotropic gyrotropic material.