Résonateurs de Helmholtz optiques simplifiés pour la détection de molécules

Simplified optical Helmholtz resonators for the detection of molecules

• Auteur / Autrice : Alice Fabas
• Direction : Riad Haïdar
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ONERA/DOTA - Département Optique et Techniques Associées
• Jury : Président / Présidente : Pierre-Michel Adam
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Riad Haidar, Nicolas Bonod, Céline Fiorini, Agnes Maitre, Patrick Bouchon
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nicolas Bonod, Céline Fiorini

Mots clés

Mots clés libres

Métamatériaux

Spectroscopie

Helmholtz

Absorption infraouge exaltée de surface

Infrarouge

Surface-enhanced infrared absorption

Infrared

Spectroscopy

Helmholtz

Metamaterials

Résumé

La spectroscopie infrarouge est une technique d'identification des molécules basée sur l'étude de leurs absorptions vibrationnelles, véritables empreintes digitales de chaque espèce chimique. Cette technique est cependant limitée par sa faible sensibilité. Les nano-structures métalliques sub-longueur d'onde permettent de manipuler et de concentrer la lumière à leur surface. Ainsi, il est possible de concevoir des nano-résonateurs exaltant fortement l'intensité du champ électrique, à laquelle l'absorption moléculaire est proportionnelle. Celle-ci est donc également exaltée de plusieurs ordres de grandeur, réduisant le seuil de détection de l'absorption infrarouge. C'est cette technique, appelée absorption infrarouge exaltée de surface (SEIRA), qui sera étudiée. L'objectif de cette thèse est de concevoir une nano-structure simple à fabriquer et permettant le développement d'un capteur de détection de molécules portable, spécifique et à coût réduit, le tout en s'affranchissant de l'utilisation d'un spectromètre. Pour cela, une géométrie simplifiée du résonateur de Helmholtz optique est étudiée. Celle-ci possède, entre autres, l'avantage de présenter un grand volume d'exaltation. Elle est appliquée aussi bien théoriquement qu'expérimentalement à la détection de la molécule de 2,4-dinitrotoluène. Un nouveau paradigme est proposé, basé sur l'optimisation du couplage du système comprenant le résonateur et les molécules à sa surface~; celui-ci permet d'augmenter les différences de réflectivité observées et donc la sensibilité de cette technique. Une quantification du signal SEIRA grâce à l'étude d'une matrice comprenant une gamme de fréquences limitée est également proposée. Enfin, le résonateur de Helmholtz simplifié est étudié à travers le prisme des nano-circuits, ce qui permet de le modéliser simplement. Une configuration fonctionnant en transmission est envisagée, que ce soit pour des applications au filtrage spectral ou à la SEIRA. Les résultats obtenus soulignent le fort potentiel de la SEIRA et ouvrent la voie à de nouvelles possibilités d'applications pour la détection de molécules.

Infrared spectroscopy is a technique for molecular identification based on the study of the infrared vibrational absorptions of molecules, which are fingerprints of all chemical species. However, the lack of sensitivity limits its application. Sub-wavelength metallic nano-structures make it possible to manipulate and to concentrate the light on their surface. Thus, it is possible to design nano-resonators that strongly enhance the intensity of the electric field which drives the molecular absorption. Therefore, the latter is also enhanced of several orders of magnitude reducing the detection threshold. This technique, called surface-enhanced infrared absorption (SEIRA), will be studied. The objective of this thesis is to design a nano-structure with an easy fabrication process and allows the development of a specific, movable and low-cost molecular sensor without the use of a spectrometer. For this purpose, a simplified geometry of the optical Helmholtz resonator is studied. One of its avantages is to offer a large volume of enhancement. It is applied both theoretically and experimentally to the detection of 2,4-dinitrotoluene. A new paradigm based on the optimization of the coupling of the whole system of the resonator and the molecules on the surface is suggested~; it allows to increase the observed differences of reflectivity and therefore the sensitivity. A quantification of SEIRA is done using a matrix shape limited to a small range of frequencies. Finally, the Helmholtz resonator is studied through the prism of nano-circuits which makes their modelling easier. A version working in transmission is considered for both spectral filtering and SEIRA applications. The results obtained point out the strong potential of SEIRA and pave the way to new applications for the detection of molecules.