Nano-antennes optiques

Nano-antennes optiques

Concept général

Historique et mode de fonctionnement 

Depuis plus d’un siècle, les antennes ont été utilisées dans le domaine des ondes radios pour convertir un courant électrique en onde électromagnétique, et inversement.1 Si ces antennes ont été développées pour faciliter les communications, leurs analogues dans le domaine des fréquences optiques, appelées nano-antennes du fait de leurs dimensions nanométriques, n’ont pu être développées que par l’avancée des techniques de micro et nano-fabrication.1 En effet, ce concept de nano-antenne optique est très récent. Il a été présenté pour la première fois par John Wessel en 1985.2 L’idée était qu’une nanoparticule d’or se comporterait comme une antenne.3 Dix ans plus tard, la démonstration expérimentale de cette idée a vu le jour par les travaux de Ulrich Fischer et Dieter Pohl.4, 5 Ces derniers l’ont utilisée comme source de lumière locale pour imager un film mince avec des trous de 320 nm et montrer une résolution spatiale proche de 50 nm.6 Depuis , diverses géométries d’antennes ont été développées et sont intensivement utilisées dans divers domaines : microscopie champ proche optique, 7, 8 imagerie biologique,9-11 photo-voltaïque,12-14 optoélectronique,15 spectroscopie,16, 17 etc. D’une manière générale, une nano-antenne est définie comme étant un dispositif créé pour convertir efficacement un rayonnement optique propagatif en énergie localisée et inversement.

Les familles des nano-antennes optiques 

L’efficacité d’une nano-antenne à contrôler l’interaction lumière-matière dépend de ses propriétés physiques.1, 3 Ces dernières se définissent et varient suivant la forme, la taille et le type de matériau (métallique ou diélectrique) utilisés.18, 19 En effet, un paramètre peut déterminer complètement la sensibilité de la nano-antenne au champ électromagnétique. Ainsi, les nano-antennes, se divisent en deux grandes familles : celles ayant une affinité avec la partie électrique du champ électromagnétique et celles ayant une affinité la partie magnétique du champ électromagnétique. Parmi les nano-antennes sensibles au champ électrique, nous citerons à titre d’exemple, la nano-antenne dipolaire20-24 (figure 1.2.a) et la nano antenne papillon (figure 1.2.b), et parmi celles sensibles aux champs magnétiques, la nano-antenne annulaire (figure 1.2.c) et la nano-antenne diabolo(figure 1.2.d).

Jusqu’à présent, les scientifiques ont orienté leurs recherches expérimentales et théoriques sur l’utilisation des nano-antennes électriques de type métallique et diélectrique dans le but d’augmenter l’interaction entre la partie électrique de la lumière et la matière. Cependant, jusqu’à très récemment, seules des études théoriques avaient démontré la capacité des nanoantennes magnétiques (métalliques et diélectriques) à manipuler et à augmenter les interactions « lumière magnétique »-matière. C’est ce qui nous a motivé à développer et à étudier les nano antennes magnétiques. Plus tard dans ce chapitre, nous citerons quelques exemples de nano-antennes électriques et magnétiques et nous reviendrons, plus en détails, sur nos motivations.

Nano-antennes métalliques 

Comme cité plus haut, le concept de nano-antennes a vu le jour grâce à une nanoparticule d’or. Ce type de nano-antenne métallique est évidement le plus simple. De nos jours, les progrès accomplis en nano fabrication permettent de concevoir d’autres géométries métalliques principalement en or, argent et aluminium. Leurs géométries, sont inspirées le plus souvent de celles déjà connues dans le régime micro-onde. La capacité des nano-antennes métalliques à contrôler l’interaction lumière-matière provient du fait qu’aux longueurs d’ondes optiques les métaux ne se comportent plus comme des conducteurs parfaits, mais peuvent être considérés comme des plasmas fortement corrélés décrits comme un gaz d’électrons libres. Lorsque ces derniers sont couplés avec un champ optique incident, des oscillations collectives du plasma d’électrons communément appelés plasmon de surface vont se créer (figure 1.3).26 C’est par la nature évanescente et résonnante de ces ondes de surface que l’on peut contrôler la lumière dans des volumes sub-longueur d’onde. Différents modes de résonance plasmon peuvent être excités pour une même nanoantennes. À chaque mode de résonance correspond une fréquence de résonance propre. Le nombre de modes, ainsi que leurs positions spectrales, sont fortement liés à la géométrie et la nature du matériau. L’ingénierie de ses paramètres permet la maximisation de l’intensité du champ confiné (champ électrique et/ou magnétique).

Nano-antenne métallique électrique 

Cas de la nano-antenne dipolaire 

L’une des premières nano-antennes métalliques proposées dans la littérature fut la nanoantenne dipolaire (figure 1.4 a).27-30 Constituée de deux bâtonnets métalliques séparées par un gap diélectrique, elle permet de générer une forte exaltation du champ électrique au niveau de son gap lorsqu’elle est excitée selon son axe longitudinal et à sa longueur d’onde de résonance. Cette forte accumulation d’énergie lumineuse est due à l’effet capacitif optique produit au niveau du gap. En revanche, lorsque l’excitation se fait perpendiculairement à l’axe de la nano-antenne, cette exaltation du champ électrique n’a plus lieu (figure 1.4 b). L’exaltation du champ électrique est telle, que des phénomène d’optique non linéaire comme la génération de supercontinuum peuvent avoir lieu pour ce type de nano-antennes.27 Ce type de nano-structure s’utilise également pour d’autres applications comme la spectroscopie par luminescence à deux photons,31 le piégeage optique,32 et les applications de collecte d’énergie.

Nano-antenne métallique magnétique 

Cas de la nano-antenne diabolo 

En s’inspirant du principe de Babinet, qui reprend l’aspect symétrique des équations de maxwell en énonçant que les champs électromagnétiques diffractés par une fente dans une couche infiniment fine d’une structure conductrice, sont les mêmes que ceux diffractés par sa partie complémentaire, si le champ électrique est remplacé par le champ magnétique et inversement.34 T. Grosjean et al, proposèrent théoriquement en 2011 une nano-structure constituée de deux triangles métalliques connectés par une jonction métallique, qu’ils nommèrent nano-antenne diabolo (figure 1.5 a).35 Lorsque la nano-antenne est excitée par une onde polarisée (comme indiqué sur la figure 1.5), il se crée à l’intérieur de la jonction métallique, un fort courant électrique, développant par induction optique un fort champ magnétique de polarisation azimutal, confiné et exalté autour de la jonction. En particulier, pour une excitation à la longueur d’onde de 2540 nm, le champ magnétique est exalté d’un facteur de 2900 et confiné dans une région de 40 par 40 nm2 autour du métal.

Nano-antennes diélectriques 

De toute évidence, les nano-antennes métalliques présentent de nombreux avantages associés à la forte localisation et exaltation du champ électrique et/ou magnétique. Cependant, la dissipation d’énergie des métaux due aux électrons libres36 pose problèmes dans certains domaines comme en thermovoltaïque37, 38 et en spectroscopie Raman.39 Les chercheurs ont alors développé une alternative en utilisant des nano-sphères diélectriques à indice de réfraction élevé. En l’absence de charges libres, les diélectriques ont l’avantage de ne pas avoir de perte ohmique et se caractérisent par la prédominance des courants de déplacement. Ces courants sont dû aux variations temporelles du champ d’excitation électrique.40 Par ailleurs, plus l’indice de réfraction du milieu diélectrique est élevé, plus les courants de déplacement augmentent. Lorsque ces courants deviennent suffisamment élevés et que l’on considère le cas d’une nano-sphère éclairée par une onde plane, on voit alors émerger des résonances de Mie qui résultent du couplage du champ incident au courant de déplacement lui-même. Ces nano-sphères diélectriques peuvent donc être considérées comme des nano-antennes. Contrairement aux particules plasmoniques, la première résonance des nano-particules diélectrique est une résonance dipolaire magnétique et elle se produit lorsque la longueur d’onde de la lumière à l’intérieur de la particule divisé par son indice de réfraction est égale à son diamètre.

Cas des nano-sphères en silicium
De nombreuses études ont démontré que les nano-sphères diélectriques à indice de réfraction élevé présentent des modes électriques et magnétiques accordables et séparables spectralement.41-44 Parmi ces études, l’une menée en 2012 où les chercheurs ont montré que les particules de silicium d’un diamètre compris entre 100 nm et 500 nm sont particulièrement intéressantes.36, 44 En effet, les spectres expérimentaux de diffusion des nano-particules en champ sombre montrent que ses dernières présentent des résonances dipolaires et quadripolaires dans une large gamme spectrale, notamment dans la gamme du spectre visible. En particulier, une nano-particule de 100 nm présente une résonance dipolaire magnétique très forte aux alentours de 480 nm. En augmentant la taille de la particule de silicium de 40 nm (figure 1.7), une résonance dipolaire électrique apparait et la résonance magnétique se déplace vers 580 nm. Cette résonance dipolaire magnétique est donc accordable suivant la taille de la particule de silicium, elle augmente vers les grandes longueur d’onde lorsque la taille augmente.

Table des matières

Introduction générale
État de l’art
1.1 Nano-antennes optiques
1.1.1 Concept général
1.1.2 Nano-antennes métalliques
1.1.3 Nano-antennes diélectriques
1.2 Émetteur quantique
1.2.1 Principe d’absorption et d’émission
1.2.2 Puissance émise par un dipôle classique
1.2.3 Rendement quantique et taux de fluorescence
1.2.4 Densité locale des modes électromagnétiques (LDOS)
1.2.5 Equivalences quantiques-classiques
1.3 Couplage entre une nano-antenne électrique et un émetteur quantique Couplage nano-particule plasmonique – molécule unique
1.4 Transitions magnétiques
1.4.1 Découverte des transitions magnétiques dans les ions lanthanides
1.4.2 Manipulation de la luminescence des transitions magnétiques dans les ions lanthanides
1.4.3 Manipulation de l’émission des dipôles magnétiques par des nano-antennes optiques
1.4.4 Manipulation de l’excitation des dipôles magnétiques
1.5 Bibliographie
Mise en place du couplage des nanostructures métalliques aux émetteurs quantiques
2.1 Mise en place expérimentale
2.1.1 Microscopie optique en champ proche
2.1.2 Fabrication des pointes SNOM
2.1.3 Collage des nano-particules sur les pointes
2.2 Nano-émetteurs : KY7F22 : Eu3+
2.2.1 Synthèse des nano-émetteurs
2.2.2 Spectres des nano-émetteurs
2.2.3 Caractérisation des nano-émetteurs
2.3 Types de nano-structures utilisées et usinage
2.3.1 Nano-antenne dipolaire
2.3.2 Cavités circulaires
2.3.3 Cavités linéaires
2.4 Bibliographie
Manipulation de l’émission de transitions dipolaires magnétiques par l’utilisation de nanoantennes plasmoniques
3.1 Nano-antenne dipolaire
3.1.1 Propriétés optiques
Dimension de la nano-antenne
3.1.2 Résultats expérimentaux
3.1.3 Interprétation des résultats obtenus et discussions
3.2 Cavités circulaires
3.2.2 Propriétés optiques
3.2.3 Résultats du scan de la cavité plasmonique de diamètre 860 nm
3.2.4 Résultats du scan de la cavité plasmonique de diamètre 580nm
3.2.5 Interprétation des résultats obtenus et discussions
3.3 Cavités linéaires
3.3.1 Propriétés optiques
3.3.2 Résultats expérimentaux
3.3.3 Densité locale des modes électromagnétiques relative radiative
3.3.4 Interprétation des résultats obtenus et discussions
3.4 Bibliographie
Conclusion générale

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