Depuis les années 2000, le développement de la spectroscopie Raman à exaltation de pointe (TERS) a permis l’accès de manière extrêmement localisée aux propriétés structurales et moléculaires à la surface de la matière et à des analyses physico-chimiques combinées. La technologie TERS associe les techniques de microscopie à sonde locale - ici le microscope à force atomique (AFM) - avec le champ proche optique. Elle bénéficie en particulier de la génération, à la surface métaux nobles, de plasmons de surface à l’origine d’exaltation d’ondes électromagnétiques pouvant être confinées dans un volume sub-longueur d'onde à l'extrémité des sondes AFM-TERS. Aujourd'hui le principal verrou technologique en TERS est la conception des sondes AFM en termes de reproductibilité à échelle nanométrique, et de fabrication en série. Ce travail de thèse effectué dans le cadre d’une thèse CIFRE (HORIBA Scientific) a eu pour but de concevoir un nouveau type de sonde AFM-TERS répondant aux exigences de performances et de fabrication actuelles. Pour atteindre cet objectif, une étude de simulation numérique a conduit à proposer une nanostructuration métallique de l’extrémité d’un levier AFM, afin de conduire à une exaltation électromagnétique optimisée. Un procédé de nano- et micro-fabrication a été développé au sein de la plateforme de micro et nano-fabrication de l'IEMN, combinant lithographie électronique et optique, évaporation métallique et gravure sur wafers silicium. Il permet la réalisation en série de sondes AFM dont chaque extrémité est composée d'une nano-antenne métallique de taille sub-longueur d'onde, composée d'un nanodisque supportant un nanocône. La méthode de fabrication proposée permet un contrôle des réponses plasmoniques en termes d’amplification du champ et d’accordabilité de la résonance, qui sont la clé des performances en spectroscopie Raman à exaltation de pointe. Une étude sur l’évaporation inclinée lors du procédé de nano-fabrication développé par lithographie électronique a également été réalisé dans le but de contrôler la forme des nanoparticules – de forme conique à cylindrique avec des parois poreuses -- isolées ou en réseaux denses. Les simulations numériques suggèrent que de tels objets peuvent être des candidats potentiels pour le TERS ou le SERS (spectroscopie Raman à exaltation de surface). / Since the start of the 2000s the evolution of tip-enhanced Raman spectroscopy (TERS) has enabled the simultaneous measurement of localized structural, molecular, and physicochemical properties. TERS technology combines scanning probe microscopy -- atomic force microscopy (AFM) -- with near field optical microscopy. The combined technique is referred to as AFM-TERS. The technique harnesses and exploits the generation of surface plasmons on metal surfaces. These plasmons lead to the generation of confined electromagnetic waves in a sub-wavelength volume at the very tip of the AFM-TERS probe. The main technological challenge today is the design and optimization of an AFM-TERS probe having nanometer-sized dimensions -- and the controlled, reproducible batch fabrication of such structures. The objective of the work presented in this PhD thesis was to design, fabricate, and characterize a new type of AFM probe capable of bettering the current state-of-the-art performances. The PhD was carried out in collaboration with HORIBA and funded partly by a French ‘CIFRE’ grant. In order to meet these objects, comprehensive numerical modelling led to the design of an optimized metal nanostructuring having maximum electromagnetic exaltation -- placed at the extremity of a silicon-based AFM cantilever. A new combined micro and nano fabrication process was developed to achieve this -- to be performed using the existing equipment found in the IEMN cleanroom. The process encompasses techniques such as masking using electron beam (ebeam) lithography and UV photolithography, thermal evaporation of metals and ‘lift-off’ techniques, and highly-controlled dry etching of small silicon mesas structures and deep etching for MEMS cantilever releasing. The process enables the batch-fabrication manufacture of AFM-TERS probes containing matter on the millimeter scale (the silicon probe support), the micrometer scale (the silicon cantilever), and the nanometer scale (the combined metallic disk and cone having sub-wavelength dimensions). This method allows nanostructuring on the optical/plasmonic behavior of TERS probes, the key factor which will lead to higher performance in TERS. Finally, a further study concerning the inclined evaporation of metallic nanostructures via an ebeam-derived lithographic shadow mask was performed in order to control the size and shape of the nanostructuring. The study proved this approach to be feasible. Furthermore, numerical modelling of such structures suggests that they are potential original candidates for both TERS and SERS (surface-enhanced Raman spectroscopy).

J'étudie comment des nanostructures photoniques permettent d'exalter l'émission optique de molécules. L'objectif est de dépasser les limites imposées par la diffraction en microscopie optique pour améliorer la détection de nano-émetteurs. Mes travaux combinent recherche fondamentale et applications. L'axe recherche fondamentale porte sur la compréhension des phénomènes électromagnétiques mis en jeu dans des antennes de dimensions nanométriques. L'axe recherche appliquée porte sur le développement de nouvelles techniques de détection et d'analyse de biomolécules. Ces travaux s'inscrivent dans les thématiques très actives actuellement des nano- antennes plasmoniques et des capteurs pour la biophotonique.

Au cours des dernières années, la communauté scientifique s'est intéressée de plus en plus à l'acquisition de sources d'énergie renouvelables vertes et propres par rapport aux combustibles fossiles traditionnels. Le rayonnement solaire est une source particulièrement abondante d'énergie renouvelable qui a été largement utilisée dans les véhicules, les machines et les bâtiments, entre autres. Il y a généralement deux manières différentes d'utiliser l'énergie solaire: la chaleur et l'électricité. La principale motivation de ce travail de thèse est d'utiliser cette abondante source d'énergie pour produire une petite fraction de la tension et du courant continu de sortie. Puisque le spectre solaire se situe dans les longueurs d'onde à l'échelle nanométrique ou dans la bande térahertz, les antennes optiques seront utilisées comme une nouvelle technologie de nanotechnologie pour capter et récolter l'énergie solaire. Les antennes optiques ont des propriétés similaires à celles de leurs homologues micro-ondes, mais leur avantage réside dans des moyens sans précédent pour adapter les champs électromagnétiques dans tous leurs aspects et applications. Par conséquent, avec les détails mentionnés ci-dessus, l'idée principale de cette thèse est de capturer le rayonnement infrarouge solaire et l'utiliser pour produire une tension continue de sortie. La première partie de cette thèse est consacrée à la compréhension du fonctionnement de la collecte d'énergie par radiofréquence (RF) et à la présentation d'un concept de rectenna. La deuxième partie traite de l'introduction et de la simulation d'antennes optiques à base de résonateurs diélectriques (DR) car elles offrent moins de pertes à la bande THz. Deux conceptions de DR différentes sont proposées fonctionnant à la fréquence centrale de 193,5 THz (longueur d'onde 1550 nm). La troisième partie traite de la contribution principale à ce travail en termes de conception, simulation et fabrication d'une antenne optique Yagi-uda à haut gain et large bande. La technique de lithographie par faisceau d'électrons est utilisée pour réaliser la structure proposée. En dehors de la conception de l'élément unique Yagi-uda, diverses configurations de réseau ont été simulées avec la réalisation d'un réseau d'éléments 100 x 100 fabriqué sur un substrat de silicium. Pour produire une certaine quantité de tension de sortie, deux techniques ont été utilisées pour tester le réseau d'antennes optiques Yagi-uda. La première technique impliquait l'intégration du réseau Yagi-uda avec une diode fermionique du commerce qui produisait une tension de sortie de 0,15 V par excitation à partir d'une lumière visible et de 0,52 V par excitation directe à partir d'un laser à 1550 nm. La deuxième technique est basée sur la dissipation thermique entre des métaux dissemblables produisant une tension de sortie. Quatre lasers à longueurs d'onde différents (532 nm, 650 nm, 940 nm et 1550 nm) ont excité trois conceptions de nantenna réalisées. Parmi ces conceptions, la tension de sortie maximale de 0,82 V a été produite par le réseau Yagi-uda lorsqu'il est excité via un laser de 1550 nm. / Recent years have witnessed an increased interest by the scientific community to acquire green and clean renewable sources of energy compared to traditional fossil fuels. Solar radiation is one particular abundant source of renewable energy that has been widely applied in vehicles, machines, and buildings, among others. There are generally two different ways in which solar energy is used – heat and electricity. The main motivation of this thesis work is to utilize that abundant source of energy in producing a small fraction of output DC voltage and current. Since the solar spectrum lies in the nano scale wavelengths or terahertz band, optical antennas as a novel nano fabrication technology will be used to capture and harvest the solar energy. Optical antennas have properties similar to their microwave counterparts, but the advantage they have is in terms of unprecedented means to tailor electromagnetic fields in all its aspects and applications. Therefore, with the aforementioned details, the main idea of this thesis is to capture the solar infrared radiation and utilize it for producing output DC voltage. The first part of this thesis is dedicated to understanding the working of radio frequency (RF) energy harvesting and presenting a rectenna design. The second part deals with the introduction and simulation of optical antennas based of dielectric resonators (DR) as they offer fewer losses at the THz band. Two different DR designs are proposed working at the center frequency of 193.5 THz (1550 nm wavelength). The third part discusses the main contribution to this work in terms of design, simulation and fabrication of a high gain and wideband Yagi-uda optical antenna. E-beam lithography technique is used to realize the proposed structure. Apart for the single element Yagi-uda design, various array configurations have been simulated with realization of a 100 x 100 elements array fabricated on a silicon substrate. To produce a certain amount of output voltage, two techniques were deployed in testing the realized Yagi-uda optical antenna array. The first technique involved integration of the Yagi-uda array with a commercial fermionic diode that produced output voltage of 0.15 V via excitation from a visible light and 0.52 V with direct excitation from a 1550 nm laser. The second technique is based on thermal dissipation among dissimilar metals producing an output voltage. Four different wavelength (532 nm, 650 nm, 940 nm and 1550 nm) lasers excited three realized nantenna designs. Among these designs, the maximum output voltage of 0.82 V was produced by the Yagi-uda array when excited via 1550 nm laser.

Les nano-antennes optiques constituent un élément clé pour le contrôle et l'intéraction lumière/matière à l'échelle nanométrique. Ces systèmes opèrent dans le domaine de l'optique visible et proche infrarouge. Les propriétés de ces composants sont contrôlées en modifiant la taille, la forme et le matériau utilisé. Ces paramètres sont ajustés par les processus de fabrication de l'antenne. Dans le domaine des radio-fréquences, le tuner permet d'ajuster la fréquence de résonance de l'antenne de façon dynamique. Nous avons dans le cadre de cette thèse voulu adapter ce concept de tuner au domaine de l'optique. Le principe employé consiste à changer la résistance de charge de l'antenne, c'est-à-dire l'indice du milieu électrique environnant. Pour cela, nous avons utilisé un matériau anisotrope constitué de molécules de cristaux liquides. L'indice optique est alors modifié par l 'application d'un champ électrique statique. Le changement des propriétés spectrales ainsi que de diffusion d'une antenne de type dimère sont ici démontrées.Toujours en analogie avec les antennes radio-fréquences, nous avons étudié la propriété de transduction électron-photon dans le cas des antennes optiques. Dans ce but, nous avons considéré deux configurations. La première concerne l'utilisation de nanotubes de carbone placés dans une configuration de transistor à effet de champ. Ces objets émettent de la lumière par une recombinaison de paires électrons-trous dans le domaine des longueurs d'ondes Télécom. La seconde configuration emploie des jonctions tunnels fabriquées par électro-migration. Dans ce cas là, la jonction est assimilée à une antenne à interstice. A cause des faibles dimensions des jonctions (autour de 1 nm), nous nous sommes intéressés à la réponse en optique non linéaire de ses objets. Cette technique permet de localiser la jonction tunnel grâce à une forte exaltation du signal. L'etude des différentes caractérisques de ses jonctions sont ici présentées. Une fois la transduction du signal réalisée par l'antenne radiofréquence, celui-ci est acheminé via une ligne de transmission. A l' échelle nanométrique, les guides plasmoniques s'avèrent être un type de structure approprié. Dans ce cas, les guides peuvent à la fois servir d''electrode mais aussi de guide. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié par microscopie à fuites radiatives, dans l'espace direct et réciproque, la plus simple des géométries : le guide ruban métallique. Nous avons cherché à comprendre, pourquoi ce type de structure présente une largeur de coupure.

Ma thèse est consacrée aux nouveaux phénomènes nano-optiques et aux dispositifs basés sur l'interaction spin-orbite de la lumière (SOI). Tout d'abord, il a été démontré un SOI uniquement piloté par le champ magnétique de la lumière permettant de diriger avec précision les ondes de surface de Bloch, offrant ainsi une nouvelle manifestation du champ magnétique optique. Ensuite, nous avons proposé et démontré le concept de nano-antenne plasmonique hélicoïdale à ondes progressives (TW-HPA), c’est-à-dire un fil hélicoïdal en or étroit alimenté optiquement par une nano-antenne dipolaire dans une configuration « end-firing ». Une telle nano-antenne a été démontrée comme la première optique de polarisation sublongueur d’onde. L’agencement de TW-HPAs à l’échelle de quelques microns a permis de convertir « à la carte » un faisceau polarisé linéairement en une distribution de faisceaux directifs présentant des polarisations différentes définies de façon déterministe par la géométrie et les dimensions des nano-antennes. Par le biais d’un couplage en champ proche de quatre nano-antennes à hélicités opposées, nous avons obtenus une optique sublongueur d’onde permettant un degré de liberté dans le contrôle de la polarisation qui est interdit avec les composants et méthodes classiques basées sur l’exploitation de matériaux biréfringents ou dichroïques, ou de métamatériaux imitant ces propriétés. / My thesis is devoted to novel nano-optical phenomena and devices based on spin-orbit interaction (SOI) of light. First, magnetic spin-locking, i.e., an SOI solely driven by the magnetic field of light, is demonstrated with Bloch surface waves. It provides a new manifestation of the magnetic light field. Then, we propose and demonstrate the concept of traveling-wave plasmonic helical antenna (TW-HPA), consisting of a narrow helical gold-coated wire non-radiatively fed with a dipolar nano-antenna. By swirling surface plasmons, the TW-HPA combines subwavelength illumination and polarization transformation. The TW-HPA is demonstrated to radiate on the subwavelength scale almost perfectly circularly polarized optical waves upon illumination with linearly polarized light. With this subwavelength plasmonic antenna, we developed strongly integrated arrays of point-light emissions of opposite handedness and tunable intensities. Finally, by coupling two couples of TW-HPAs of opposite handedness, we obtained new polarization properties so far unattainable.

Les nano-antennes optiques sont de nouveaux éléments, généralement métalliques, permettant d’améliorer les interactions électromagnétiques entre le rayonnement lumineux et un objet sub-longueur d’onde. Ces dispositifs innovants, fonctionnant dans une gamme de longueur d’onde correspondant au spectre visible et proche infrarouge, répondent à certaines contraintes inhérentes à l’optique lorsque les échelles d’interactions relèvent du nanomètre. En particulier, les propriétés des antennes optiques métalliques sont régies par l’apparition de résonances plasmons qui permettent, d’une part de confiner le champ électromagnétique dans des volumes très inférieurs aux limites imposées par la diffraction, et d’autre part d’exalter fortement les processus optiques à faibles sections efficaces. L’objectif de cette thèse est de comprendre par l’expérience quels sont les paramètres clés qui caractérisent une nano-antenne optique afin d’en contrôler son fonctionnement. Ces paramètres ont été accessibles expérimentalement grâce au développement d’une microscopie adaptée basée sur une illumination diascopique à faible ouverture numérique avec soit une détection coronographique confocale ou conoscopique. Cet appareillage nous a permis de mesurer la capacité d’une antenne optique unique à diffuser un rayonnement lumineux. Les études ont débutées avec des systèmes modèles simples (nanoparticules) pour évoluer vers des antennes couplées (dimères). Par analogie avec le domaine radiofréquences, les paramètres importants d’une antenne optique que sont la plage fréquentielle, le désaccord, le gain et le diagramme de rayonnement ont été définis et mesurés. L’influence des caractéristiques morphologiques de l’antenne sur ces paramètres a complété l’étude. Toujours par comparaison avec les antennes radiofréquences, nous avons introduit le concept de tuner optique. Le principe est de modifier la réponse optique de la charge de l’antenne, c’est-à-dire le milieu dans lequel elle émet son rayonnement. Dans ce but, nous avons utilisé un milieu anisotrope composé des molécules de cristal liquide dont l’orientation de l’ellipsoïde des indices peut être commandée par un champ électrostatique. Le fonctionnement du tuner, c’est-à-dire l’accord de l’antenne à une fréquence de travail, a été démontré pour des antennes optiques couplées. / Optical nanoantennas are a new class of optical devices, generally constituted of metal nanoparticles, used for enhancing the interaction between an electromagnetic wave and a nano-scale object. These components are operating in the visible to near infra-red part of the spectrum and are offering solutions for the inherent limitations of optics at the nanometer scale. In particular, the properties of optical antennas are governed by the surface plasmon resonances of the underlying structure. These resonances are associated with a large field confinement, beyond the diffraction limit, and an enhancement of the local electromagnetic response that is used to amplify weak optical processes. The objective of this doctoral thesis is to understand by an experimental approach what are the key parameters characterizing an optical antenna with the aim to control its operation. Through the development of an original microscopy based on a low numerical aperture diascopic illumination and a subsequent spatial filtering, the scattering characteristics of a single optical nano-antenna were successfully measured. Our approach was first tested with simple model antennas (nanoparticles) before investigating multi-element coupled antennas (dimers). In analogy to radiofrequency theory, we have defined and measured important antenna characteristics: operating frequency, detuning factor, gain and emission diagram. We have studied the influence of the morphology of the antenna on these characteristics. Continuing the comparison with microwave antennas, we have introduced the concept of an optical tuner. The operating principle is to modify the medium in which the antenna is emitting its radiation i.e. the load of the device. To this aim, we have employed anisotropic liquid crystal molecules. With this load medium, the orientation of the anisotropy can be controlled by a static electric field. The operation of the optical tuner, i.e. tuning of the antenna to a broadcasting frequency, is demonstrated for electromagnetically coupled antennas.

La rareté grandissante des ressources en énergie associée à une augmentation de la pollution font partie des enjeux plus importants de ce siècle. Cette thèse décrira brièvement ces deux problématiques et proposera un plan d’action combinant économie d’énergie et diversité des sources d’énergies renouvelables. Parmi les formes d’énergies renouvelables disponibles, l’énergie solaire est la plus abondante. Pour faire de l’énergie solaire une ressource plus durable et plus rentable économiquement, nous proposons d’amplifier les propriétés optiques de cellules solaires en couches minces. Dans cette catégorie, les cellules solaires organiques représentent un choix pertinent de part la faible quantité de matériau nécessaire ainsi que la faible énergie nécessaire au procédé de fabrication. Cette technologie peut être légère, transparente et flexible de sorte qu’elle peut être utilisée dans différentes solutions. Suivra la théorie sous-jacente à ces dispositifs et l’explication de la manière dont leurs performances sont améliorées. Nous présenterons quelques exemples où l’on collecte la radiation solaire avec une antenne optique. Ainsi, nous faisons la toute première démonstration d’une antenne auto-assemblée qui couple efficacement la lumière dans le matériau constituant la couche mince que nous utilisons. Finalement, nous développons le concept de cellules photovoltaïques intégrées en présentant différents cas de façades solaires. Ces travaux nous ont permis de concevoir et de fabriquer une cellule solaire organique transparente avec une transparence dans le visible de 20% et une efficacité de conversion photon-électron améliorée. / In this century some of our main issues are energy shortage and pollution. This work will briefly describe these problems, proposing a plan of action combining energy saving and different sustainable energy sources. Within different types of renewable energy sources, solar energy is the most abundant one. To make solar energy a more sustainable and cost effective technology we focus on enhancing the optical characteristics of thin film solar cells. In this category, organic solar cells are good options for their exiguous amount of material and the low energy needed for the fabrication process. This technology can be lightweight, transparent, flexible and conformal in order to be applied to and integrated in various architectural solutions and consumer electronics. After a study of the physics of such devices and on how to optically enhance their performances, we will show some examples where we theoretically and experimentally collect the solar radiation with optical antennas. We report, for the first time in literature, a nanogap antenna that efficiently couples the light in our active material thin film. Finally, we elaborate on the concept of building integrated photovoltaics introducing some examples of solar façades. Based on our research, we are able to design and fabricate an organic transparent solar cell with a visible transparency above 20% and an optically enhanced photon – electron conversion efficiency remarkably similar to its opaque equivalent.

Les nano-antennes optiques constituent un élément clé pour le contrôle et l’intéraction lumière/matière à l’échelle nanométrique. Ces systèmes opèrent dans le domaine de l’optique visible et proche infrarouge. Les propriétés de ces composants sont contrôlées en modifiant la taille, la forme et le matériau utilisé. Ces paramètres sont ajustés par les processus de fabrication de l’antenne. Dans le domaine des radio-fréquences, le tuner permet d’ajuster la fréquence de résonance de l’antenne de façon dynamique. Nous avons dans le cadre de cette thèse voulu adapter ce concept de tuner au domaine de l’optique. Le principe employé consiste à changer la résistance de charge de l’antenne, c’est-à-dire l’indice du milieu électrique environnant. Pour cela, nous avons utilisé un matériau anisotrope constitué de molécules de cristaux liquides. L’indice optique est alors modifié par l ’application d’un champ électrique statique. Le changement des propriétés spectrales ainsi que de diffusion d’une antenne de type dimère sont ici démontrées.Toujours en analogie avec les antennes radio-fréquences, nous avons étudié la propriété de transduction électron-photon dans le cas des antennes optiques. Dans ce but, nous avons considéré deux configurations. La première concerne l’utilisation de nanotubes de carbone placés dans une configuration de transistor à effet de champ. Ces objets émettent de la lumière par une recombinaison de paires électrons-trous dans le domaine des longueurs d’ondes Télécom. La seconde configuration emploie des jonctions tunnels fabriquées par électro-migration. Dans ce cas là, la jonction est assimilée à une antenne à interstice. A cause des faibles dimensions des jonctions (autour de 1 nm), nous nous sommes intéressés à la réponse en optique non linéaire de ses objets. Cette technique permet de localiser la jonction tunnel grâce à une forte exaltation du signal. L’etude des différentes caractérisques de ses jonctions sont ici présentées. Une fois la transduction du signal réalisée par l’antenne radiofréquence, celui-ci est acheminé via une ligne de transmission. A l’ échelle nanométrique, les guides plasmoniques s’avèrent être un type de structure approprié. Dans ce cas, les guides peuvent à la fois servir d’´electrode mais aussi de guide. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié par microscopie à fuites radiatives, dans l’espace direct et réciproque, la plus simple des géométries : le guide ruban métallique. Nous avons cherché à comprendre, pourquoi ce type de structure présente une largeur de coupure. / Optical nano-antennae are the new class of components to control light/matterinteraction at the nanoscale. These devices are operating in the visible to near infraredpart of the spectrum. The properties of these nano objects are controlled by theform, the size and the material.In the radio frequency domain, the tuner changes dynamically the operatingwavelength of the antenna. In this thesis work, we search to transfer this conceptto the nanoscale. The principle is to change the load impedance of the antenna, i.e.changing the optical index of the dielectric medium around the nano-object. Forthat we used anisotropic liquid cristal molecules. The value of the optical index iscontrolled by applying an external electrical static field. The effects on the spectraland scattering properties are demonstrated on a single dimer nano-antenna.However with the microwave antennae, we were interesting to the electronsphotonstransduction with an optical antenna. In this mind, we studied two differentsconfigurations. The first one concerns the use of carbon nanotubes placedin a field effect transistor configuration. These nano-objects emit light in the Telecomwavelength range by a radiative combination of electrons and holes. the secondconfiguration used planar tunnel junctions made by electromigration. In this case,the junctions are view as an optical gap antenna. Because the gap are very small(around 1 nm), we have studied the nonlinear optical response of these objects. Thisnonlinear optical characterization allows to determined the location of the tunneljunctions by an enhancement of the optical signal. The results about the properties(electrical and optical) of these tunnel junctions are presented.Once the transduction by the radio frequency antenna is achieved, this signalis transporting by a transmission line. By transposition at the nanoscale, the plasmonicswaveguides prove to be the most appropriate structure. In this case, theycould be used as an electrode or a waveguide. In this thesis work, we have studiedby leakage radiation microscopy, in the direct and reciprocal space, the simplestgeometry : plasmonic metal strips. We search to understand why these structureshave a cut-off width.