Nanoparticules de matériaux à base de nitrure pour la plasmonique et la résonance due à des modes à pertes

Nanoparticles of Nitride-based Materials for Plasmonics and Lossy-mode Resonance

• Auteur / Autrice : Ermelinda Salvaggio
• Direction : Christophe Couteau, Jérôme Plain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Optique et Nanotechnologie
• Date : Soutenance le 29/06/2022
• Etablissement(s) : Troyes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Troyes, Aube)
• Partenaire(s) de recherche : : Fonds européen de développement régional (FEDER)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Lumière- nanomatériaux et nanotechnologies / L2n
• Jury : Président / Présidente : Vincent Paillard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Couteau, Jérôme Plain, Vincent Paillard, Nathalie Destouches, Hervé Rinnert, Grégory Abadias, Sophie Camelio, Wayne Dickson
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nathalie Destouches, Hervé Rinnert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux de diffraction

Résonance plasmonique de surface

Nitrures des métaux de transition

Matériaux

Nanoparticules

Mots clés libres

Nanoparticules

Matériaux

Nitrures des métaux de transition

Résonance plasmonique de surface

Résonance plasmonique de surface

Nanoparticles

Materials

Transition metal nitrides

Surface plasmon resonance

Diffraction gratings

Résumé

Dans ce manuscrit, nous étudions différents nitrures de métaux de transition (TiN, ZrN et HfN) dont les propriétés et les caractéristiques optiques sont liées à leur composition, environnement diélectrique, taille et formes. Nous décrivons la technique de pulvérisation utilisée pour déposer des films de nitrure sur des substrats de silicium et de silice fondue. Les mesures de diffraction de rayons X montrent les structures cristallines des films et donnent une mesure de la taille de leurs grains lorsque le flux d'azote varie. La réflectométrie des rayons X donne des mesures de densité, d'épaisseur et de rugosité des films. La microscopie à force atomique, permet une caractérisation de la rugosité de surface. L’ellipsométrie fournit des indices de réfraction et des coefficients d'extinction qui seront ensuite utilisés pour extraire les nombres de Faraday et de Joules. Les mesures spectrophotométriques permettent de dériver les énergies optiques de band gap. À partir de couches minces de nitrure ont été fabriqués des réseaux de nanoparticules de forme, taille et période contrôlées grâce à la technique EBL. Leurs spectres d'extinction montrent clairement que les pics de résonance dépendent strictement des tailles, formes, stœchiométrie et période du réseau de nanoparticules. Les spectres d'extinction mesurés sont comparés à ceux simulés et ils montrent qu'il y a un bon accord entre mesures expérimentales et simulations. Nous avons ainsi pu démontrer de l’intérêt d’utiliser ces matériaux comme alternatives aux métaux nobles utilisés classiquement en plasmonique.

In this manuscript, we study different transition metal nitrides (TiN, ZrN and HfN) whose properties and optical characteristics are related to their composition, dielectric environment, size and shape. We describe the sputtering technique used to deposit nitride films on silicon (111) and fused silica substrates. The x-ray diffraction measurements show the crystal structures of the films and give a measure of their grain size as the nitrogen flux varies. The x-ray reflectometry gives a measurement of density, thickness and roughness of the films. The atomic force microscopy, allows a characterization of the surface roughness. The ellipsometry provides refractive indices and extinction coefficients that will be used to extract the Faraday and Joules numbers. The spectrophotometric measurements provide transmission spectra used to derive the optical band gap energies. From nitride thin films, we fabricated arrays of nanoparticles with controlled shape, size and period using the EBL technique.Their extinction spectra clearly show that the resonance peaks strictly depend on the size, shape, stoichiometry and period of the nanoparticles array.The measured extinction spectra are compared to those simulated using FDTD method and they show that there is a good agreement between experimental measurements and simulations. We thus demonstrated the interest of using these materials as alternatives to the noble metals conventionally used in plasmonics.