Thèse soutenue

Couplage entre émetteurs fluorescents et plasmons de surface en régime d’interaction faible et forte dans des échantillons multicouches structurés spatialement.

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Auteur / Autrice : Camilo Perez
Direction : Yannick De Wilde
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique
Date : Soutenance le 01/02/2022
Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Langevin-Ondes et images (Paris ; 1997-....) - Institut de science et d’ingénierie supramoléculaires (Strasbourg) - Institut des Sciences Analytiques - Institut Lumière Matière [Villeurbanne]
établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
Jury : Président / Présidente : Agnès Maître
Examinateurs / Examinatrices : Yannick De Wilde, Renaud Bachelot, Céline Fiorini, Valentina Krachmalnicoff, Paolo Maioli
Rapporteurs / Rapporteuses : Renaud Bachelot, Céline Fiorini

Résumé

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Dans cette thèse, nous étudions l'interaction entre un ensemble d'émetteurs fluorescents ( boîtes quantiques ou colorants organiques) et un système fortement couplé formé par une couche structurée de molécules de colorant hybridées avec des polaritons de plasmon de surface. Le manuscrit est organisé en cinq chapitres. Le chapitre 1 résume brièvement l'historique du développement de systèmes présentant un couplage fort entre émetteurset modes photoniques/plasmoniques à température ambiante. Le chapitre 2 introduit, d'un point de vue théorique, le mécanisme de couplage entre la lumière et la matière dans le contexte de la plasmonique et présente les formalismes (tels que la méthode de la matrice de transfert) avec lesquels nous caractérisons les échantillons étudiés. Dans le chapitre 3, nous détaillons les montages optiques qui ont été utilisés pour la mesure de la réponse spectrale des échantillons, dans l'espace réel et réciproque. Des mesures de réflectance et de photoluminescence ont été effectuées. Le comportement temporel de la photoluminescence a également été caractérisé. Le chapitre 4 présente le travail principal de cette thèse, dans lequel nous sondons les modes d'un système fortement couplé avec un ensemble de boîtes quantiques colloïdales. Pour commencer, nous déposons une couche de colorant organique sur un film mince d'argent. L'exciton du colorant s'hybride avec le plasmon de surface se propageant à l'interface entre l'argent et le milieu diélectrique. La couche de colorant a été structurée par lithographie optique pour créer des zones de diamètres variables dans lesquelles le matériau est optiquement inactif.Une couche de matrice polymère dans laquelle sont incorporées des boîtes quantiques colloïdales, déposée sur la couche de colorant, est utilisée pour sonder les modes de l'environnement électromagnétique. Un modèle basé sur la loi de Kirchhoff locale est utilisé pour simuler les données expérimentales.Dans le chapitre 5, nous étudions l'hybridation de deux colorants organiques spectralement différents avec un plasmon de surface en propagation. Contrairement à l'échantillon précédent, les deux espèces de colorants sont toutes deux en couplage fort avec le plasmon de surface. Les couches de colorants sont structurées de telle sorte que les deux espèces ne se chevauchent pas dans l'espace et qu'elles n'interagissent que par des modes de propagation. Tout d'abord, nous démontrons l'existence de modes hybridés dans l'échantillon par des mesures de réflectométrie. Ensuite, nous présentons des images spatiales-spectrales dans lesquelles la luminescence du système est étudiée lors de l'excitation sélective de la région peuplée par une seule espèce de colorant.