L'objectif principal de cette thèse est de concevoir, fabriquer et caractériser les dispositifs plasmoniques basés sur les cavités métalliques bidimensionnelles monocristallines pour le transfert d'information et la réalisation d'opérations logiques. Les fonctionnalités ciblées émergent de l'ingénierie spatiale et spectrale de résonances plasmon d'ordre supérieur supportées par ces cavités prismatiques. Les nouveaux éléments étudiés dans cette thèse ouvrent la voie à de nouvelles stratégies de transfert et de traitement de l'information en optique intégrée et miniaturisée. Dans un premier temps, nous caractérisons la réponse optique des nanoplaquettes d'or ultra-fines et de taille submicronique (400 à 900 nm) par spectroscopie en champ sombre. La dispersion des résonances plasmoniques d'ordre supérieur de ces cavités est mesurée et comparée avec un bon accord aux simulations obtenues par la méthode des dyades de Green (GDM). En outre, nous présentons une analyse par décomposition lorentzienne des réponses spectrales de ces nanoprismes déposés sur des minces substrats métalliques. Nous avons, par ailleurs systématiquement étudié les effets qui pourraient modifier les résonances plasmoniques par microscopie de luminescence non-linéaire, qui s'est avérée un outil efficace pour observer la densité d'états locale des plasmons de surface (SPLDOS). En particulier, nous montrons que les caractéristiques spectrale et spatiale des résonances plasmoniques d'ordre supérieur peuvent être modulées par la modification du substrat (diélectrique ou métallique), par l'insertion contrôlée d'un défaut dans la cavité ou par le couplage électromagnétique, même faible, entre les deux cavités. L'ingénierie rationnelle de la répartition spatiale des résonances confinées 2D a été appliquée à la conception de dispositifs à transmittance accordable entre deux cavités connectées. Les géométries particulières sont produites par gravure au faisceau d'ions focalisé sur des plaquettes cristallines d'or. Les dispositifs sont caractérisés par cartographie de luminescence non-linéaire en microscopie confocale et en microscopie de fuites. Cette dernière méthode offre un moyen unique d'observer la propagation du signal plasmon dans la cavité. Nous démontrons la dépendance en polarisation de la transmission plasmonique dans les composants à symétrie et géométrie adéquates. Les résultats sont fidèlement reproduits par notre outil de simulation GDM adapté à la configuration de transmission. Enfin, notre approche est appliquée à la conception et à la fabrication d'une porte logique reconfigurable avec plusieurs entrées et sorties. Nous démontrons que dix des douze portes logiques possibles à 2 entrées et 1 sortie sont activable sur une même structure en choisissant les trois points d'entrée et de sortie et en ajustant le seuil de luminescence non-linéaire pour le signal de sortie. / The main objective of this PhD work is to design, fabricate and characterize plasmonic devices based on highly crystalline metallic cavities for the two-dimensional information transfer and logic gate operations. First, we thoroughly characterize the optical response of ultra-thin gold colloidal cavities of sub-micronic size (400 to 900 nm) by dark- field spectroscopy (Fig. 1a). The dispersion of the high order plasmonic resonances of the cavities is measured and compared with a good agreement to simulations obtained with a numerical based on the Green Dyadic Method (GDM). We further extend our experiments to systematically tune the spectral responses of these colloidal nanoprisms in vicinity of metallic thin film substrates. A comprehensive study of these sub-micronic size cavity in bowtie antenna configuration is performed. We show a polarization-dependent field enhancement and a nanoscale field confinement at specific locations in these bowtie antennas. We systematically study the effects that could potentially affect the plasmonic resonances by non-linear photon luminescence microscopy, which has proved to be an efficient tool to observe the surface plasmon local density of states (SPLDOS). Inparticular, we show that an effective spatially and spectrally tuning of the high order plasmonic resonances can be achieved by the modification of the substrate (dielectric or metallic), by the controlled insertion of a defect inside a cavity or by the weak electromagnetic coupling between two adjacent cavities. The rational tailoring of the spatial distribution of the 2D confined resonances was applied to the design of devices with tunable plasmon transmittance between two connected cavities. The specific geometries are produced by focused ion milling crystalline gold platelets. The devices are characterized by non-linear luminescence mapping in confocal and leakage radiation microscopy techniques. The latter offers a unique way to observe propagating SPP signal over a 2D plasmonic cavity. We demonstrate the polarization-dependent mode-mediated transmittance for devices withadequate symmetry. The results are faithfully reproduced with our simulation tool based on Green dyadic method. Finally, we extend our approach to the design and fabrication of a reconfigurable logic gate device with multiple inputs and outputs. We demonstrate that 10 out of the possible 12 2-input 1-output logic gates can be implemented on the same structure by choosing the two input and the one output points. We also demonstrate reconfiguration of the device by changing polarization of the incident beam, set of input locations and threshold of the non-linear luminescence readout signal.

No description available.

Cette thèse porte sur l'influence des défauts cristallins des nanocristaux d'or. Elle traite de la synthèse et de l'assemblage de nanocristaux d'or dont la taille et le taux de défauts cristallins sont contrôlés. Au cours de ce travail, une méthode permettant de séparer des nanocristaux de même taille mais soit mono-, soit polycristallines a été mise au point pour ensuite les utiliser comme graines de croissance cristalline afin d'étendre le contrôle de taille de 5 à 13 nm. Les propriétés plasmoniques ainsi que vibrationnelles de ces nanocristaux d'or ont pu ainsi être étudiées en fonction de la présence ou non de défauts cristallins. Les nanocristaux synthétisés lors de cette thèse présentent une distribution de taille suffisamment faible pour permettre leur auto-assemblage en réseau ordonné à trois dimensions, appelés supracristaux. L'apparition de supracristaux inverses et de surfaces vicinales a pu être observée dans certaines conditions d'assemblage. De plus, il est aussi possible d'obtenir des supracristaux de taille submillimétrique ne contenant que des nanocristaux mono- ou polycristallines, et pouvant être étudiés individuellement par diffraction de rayons X. Il a ainsi été possible de corréler l'ordre orientationnel et translationnel des nanocristaux dans le réseau supracristallin. / This thesis deals with the influence of crystal defects of gold nanocrystals, especially on the synthesis and self-assembly of gold nanocrystals whose crystal defects and size are controlled. During this work, a method have been developed to separate single and polycrystals with similar size using crystalline segregation. Then, these nanocrystals have been used as seeds for a second crystal growth in order to expand their size from 5 nm to 13 nm in diameter. The plasmonic and vibrational properties of these gold nanocrystals have also been studied. The obtained nanocrystals exhibit low size distribution that allows their self-assemblies into three dimensional ordered lattice, called supracrystals. Negative supracrystals and vicinal surfaces have been observed under specific self-assembly conditions. Moreover, it is possible to obtain supracrystals with submillimeter size containing only either single or polycrystals and study them in an individual way by X-ray diffraction. It has also been possible to correlate the translational and orientational order of gold nanocrystals within the supracrystalline lattice.

Les objectifs de cette thèse sont articulés autour de deux axes principaux : la synthèse et l’étude de cages moléculaires photo-modulables, et la génération de nano-cristaux d’or par photo-catalyse supramoléculaire. Ces deux thématiques sont reliées entre elles par l’exploitation des propriétés photophysiques et photochimiques d’un motif commun, le 9,10-diphénylanthracène (DPA). Dans un premier temps, de nouvelles architectures tridimensionnelles photo-modulables de type cage moléculaire ont été conçues et étudiées. En présence d’oxygène, l’irradiation directe ou sensibilisée du DPA permet de former réversiblement le dérivé endoperoxyde et ainsi moduler les propriétés de complexation de la cage. Les différentes stratégies de synthèse mises en place reposent sur l’exploitation conjuguée de la réactivité de la 2,4,6-trichloro-1,3,5-triazine, et de réactions de chimie « click » (métathèse des oléfines, cycloaddition de Huisgen). L’étude et la modulation des propriétés des reconnaissances ont été effectuées sur des sels de cations alcalins (sodium et césium) et suivies par émission de fluorescence et spectroscopie d’absorption UV-visible. Les résultats obtenus avec deux cages possédant des constantes d'associations élevées (logK = 8,7 pour le cation sodium) montrent une augmentation de la constante d’association d’un facteur 10 et 20 pour respectivement le sodium et le césium entre la forme DPA et la forme endoperoxyde. Dans un second temps, des photocatalyseurs supramoléculaires basés sur le chromophore DPA ont été étudiés en vue de la synthèse de nano-cristaux d’or nus. L’association du chromophore avec des thioéthers permet de former un complexe en phase organique par extraction de sels d’or(III) depuis une phase aqueuse. L’irradiation à 400nm permet la réduction de l’or(III) par transfert d’énergie depuis le 9,10-diphénylanthracène. Les atomes d’or sont ensuite relargués en phase aqueuse pour former des nano-cristaux nus qui ont pu être caractérisés par MET, XPS, AFM et DLS. Par ailleurs, ce procédé est catalytique dans le toluène et un système de réduction en flux continu a été mis au point permettant un turnover moyen de 150. / The goals of this thesis are organized around two major axes: the synthesis and study of photo-gated molecular cages, and the generation of gold nanocrystals by supramolecular photocatalysis. These two themes are connected by the use of the photochemical and photophysical properties of a common chromophore, 9,10-diphenylanthracene (DPA). Three-dimensional photo-gated cage-like architectures were designed and synthesized. Various synthetic strategies based on the combined use of the 2,4,6-trichloro-1,3,5-triazine unit and "click" chemistry reactions (olefin metathesis, Huisgen cycloaddition) were employed for the synthesis. In the presence of oxygen, sensitized or direct irradiation of the DPA chromophore forms the corresponding endoperoxide derivative, thereby modulating the binding properties of the cage. The study and the modulation of the recognition properties were performed on various alkali metal cations and a strong binding of sodium and cesium was evidenced by fluorescence emission and UV-visible absorption spectroscopy. The cages investigated possessed high association constants towards sodium and cesium cations (logK = 8.7 for the sodium cation) which could be reversibly increased by a factor 10 and 20 for sodium and cesium, respectively, upon formation of the endoperoxide. Supramolecular photocatalysis of gold(III) reduction based on the DPA chromophore was also studied for the preparation of uncapped gold nanocrystals. The combination of the DPA chromophore with thioether chains allows the formation of a complex in the organic phase by extraction of gold(III) chloride from an aqueous phase. Irradiation at 400 nm enables the reduction gold(III) by energy transfer from the 9,10-diphenylanthracene followed by oxidation of the solvent. The gold atoms are subsequently released in the aqueous phase to form uncapped nanocrystals characterized using TEM, XPS, AFM, and DLS techniques. Furthermore, the process is catalytic in toluene, where a continuous flow reactor was developed. The latter allowed an average catalytic turnover of 150 to be determined.