Sur les propriétés radiatives des dispositifs passifs et actifs dans l'infrarouge moyen sub-longueur d'onde

On the radiative properties of passive and active subwavelength mid-infrared devices

• Auteur / Autrice : Loubnan Abou-Hamdan
• Direction : Yannick De Wilde, Patrick Bouchon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 10/02/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Langevin-Ondes et images (Paris ; 1997-....) - Institut Langevin - Ondes et Images (UMR7587)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Taliercio
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yannick De Wilde, Patrick Bouchon, Natalia Del Fatti, Nicolas Bonod, Emmanuel Baudin, Jérémie Drevillon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Natalia Del Fatti, Nicolas Bonod

Mots clés

Mots clés libres

Sub-Longueur d’onde

Moyen infrarouge

Champ proche

Champ lointain

Antennes

Polaritons de surface

Subwavelength

Mid-Infrared

Antennas

Near-Field

Far-Field

Surface polaritons

Résumé

Les métamatériaux infrarouges ont été utilisés dans un large éventail d'applications, telles que le refroidissement radiatif, la photodétection et la conception de cellules solaires. Les éléments constitutifs de ces matériaux sont des structures de taille sub-longueur d'onde qui présentent de nombreux effets d'antenne intéressants, à savoir une émission directionnelle, une sélectivité spectrale, ainsi qu'une exaltation du confinement du champ. L'étude des propriétés radiatives intrinsèques de ces structures sub-longueur d'onde est une étape cruciale vers l'optimisation de la réponse optique des métasurfaces à grande échelle. Traditionnellement, l'étude des propriétés radiatives des structures individuelles sub-longueur d'onde est extrêmement difficile en raison de leur rayonnement électromagnétique intrinsèquement faible. Dans la gamme spectrale du moyen infrarouge, le rayonnement du fond est dominant.Dans cette thèse, nous repoussons les limites de diverses techniques hautement sensibles, telles que la spectroscopie à modulation spatiale infrarouge et la microscopie optique en champ proche à pointe diffusante, pour sonder le rayonnement électromagnétique intrinsèque dans le moyen infrarouge de structures sub-longueur d'onde composées d'un ou plusieurs éléments. Un pot-pourri de structures sub-longueur d'onde est examiné et discuté, couvrant un large spectre allant, des antennes diélectriques et plasmoniques passives aux transistors à effet de champ en graphène polarisés électriquement. Les propriétés fondamentales et les interactions associées à ces structures sont élaborées, avec un accent particulier mis sur l'influence des propriétés géométriques et des matériaux sur la réponse en champ proche et lointain. Les résultats présentés dans cette thèse et la discussion associée sont d'un intérêt particulier pour les applications photoniques dans lesquelles une adaptation du spectre moyen infrarouge à l'échelle sub-longueur d'onde est requise.

Infrared metamaterials have been used in a wide range of applications, such as radiative cooling, photo-detection, and solar cell design. The building blocks of these materials are subwavelength structures that exhibit many interesting antenna effects, namely, directional emission, spectral selectivity, as well as high field confinement. The study of the intrinsic radiative properties of these subwavelength structures is a crucial step toward the optimization of the optical response of large-scale metasurfaces. Traditionally, investigating the radiative properties of individual subwavelength structures is extremely challenging due to their inherently weak electromagnetic radiation. In the mid-infrared spectral range, one is also met with overwhelming background radiation.In this thesis, we push the limits of various highly sensitive techniques, such as infrared spatial modulation spectroscopy, and scattering-scanning near-field optical microscopy, to probe the intrinsic mid-infrared electromagnetic radiation of single- or few-element subwavelength structures. A potpourri of subwavelength structures is examined and discussed, spanning a broad continuum, from passive dielectric and plasmonic antennas to electrically biased graphene field-effect transistors. The fundamental properties and interactions associated with these structures are elaborated, with special emphasis being placed on the influence of geometrical and material properties on the near- and far-field response. The results presented in this thesis and the discussion therein are of particular interest to light applications in which a tailoring of the mid-infrared spectrum at the subwavelength scale is required.