Ce travail de thèse a été consacré à l’étude expérimentale, théorique et numériquede métamatériaux auto-assemblés constitués de nanoparticules d’or, opérant dans la gammedu visible. Nous nous sommes intéressés à trois types de structures différentes et avons analyséleurs propriétés optiques par ellipsométrie spectroscopique.Nous avons étudié expérimentalement et numériquement l’effet de la proximité d’un substratde haut indice sur la réponse plasmonique d’une nanoparticule, grâce à un système expérimentalconstitué de monocouches de nanoparticules d’or sur une multicouche de polyélectrolytes.Nous avons discuté d’un effet d’exaltation de la section efficace d’absorption des nanoparticulesaux plus faibles distances au substrat. Nous avons montré que des films composites denses depolymère et de nanoparticules d’or ont des réponses contrôlées par la fraction en or et qu’ilsse comportent, à haute fraction en or, soit comme des diélectriques soit comme des métauxselon la gamme de fréquence. Nous avons développé un modèle phénoménologique, adapté àde nombreuses situations, qui décrit bien les propriétés optiques des films. Enfin, nous avonsétudié des nanocomposites lamellaires à base de copolymères à blocs et de nanoparticules d’or.Nous avons montré comment avoir accès, pour certains systèmes, à l’extraction et la modélisationde leur anisotropie de permittivité, qui est affectée par la résonance plasmonique desnanoparticules. / This PhD work was dedicated to the experimental, theoretical and numerical studyof the optical properties of self-assembled metamaterials made of gold nanoparticles, operatingat visible frequencies. We were interested in three different structure types and analyzed theiroptical properties experimentally by spectroscopic ellipsometry.We studied the effect of a high index substrate proximity on the plasmonic response of goldnanoparticles, both experimentally and numerically, on nanoparticle monolayers deposited ontopolyelectrolytes multilayers. We discuss an enhancement effect of the nanoparticle absorptioncross-section for small distances to the substrate. Dense polymer/gold nanoparticles compositefilms were shown to have tunable optical properties depending on their gold filling fractionand to behave, at high filling fraction, like a dielectric or a metal depending on the frequencyrange. We developed a phenomenological model, adapted to a large number of cases, whichsuccessfully describes the films optical properties. Finally, lamellar films made of block copolymersand gold nanoparticles were studied. We have shown how to access, for certain structuralconditions, the extraction and the modelisation of the effective permittivity anisotropy, affectedby the resonance of the nanoparticles.

La croissance récente des télécommunications nécessite la conception de circuits miniaturisés fonctionnant au-delà du gigahertz. Les activités de recherche sont énormément consacrées à l'étude de circuits intégrés associés à des structures planaires. Les circuits planaires qui ont récemment subi d'importants développements technologiques, sont très attractifs pour leurs faibles coûts de réalisation, leur faible poids et dimensions. Les filtres connus en hyperfréquence peuvent être réalisés à partir de lignes imprimées planaires. Beaucoup de ces composants passifs ne présentent aucune agilité en fréquence. Le problème d'agilité en fréquence est résolu en utilisant des composants actifs ajustables ou des composants passifs dont on peut modifier les propriétés en appliquant un champ électrique (ferroélectrique) ou un champ magnétique (ferrite. . .). Le principal objectif de cette thèse est de proposer et de caractériser une ligne coplanaire main gauche aveclaquelle on peut obtenir un fonctionnement agile en fréquence et relativement de faibles pertes.C'est une étude sur de nouveaux matériaux "main gauche" ou métamatériaux réalisés à partir de lignes coplanaires sur substrat ferrite. L'utilisation de ces substrats permet une certaine agilité en fréquence. L'étude débute par la modélisation d'un segment de ligne non réciproque, puis l'étude de la structure complète (capacité -- ligne non réciproque -- inductance). La détermination des paramètres ABCD de la cellule élémentaire (L-C), permet de retrouver les paramètres S de cette cellule. On en déduira les constantes de propagation dans les deux sens et on vérifiera que la celluleest un matériau planaire " main gauche " non réciproque

Dans le domaine de la guerre électronique, la maîtrise du spectre électromagnétique est primordiale. Les antennes doivent donc posséder une couverture fréquentielle extrêmement large. Leur bande de fréquences de fonctionnement peut dépasser la décade, i.e. un rapport 10 entre fréquences haute et basse. De plus, la fréquence basse peut être voisine de la centaine de MHz augmentant de ce fait l'encombrement de l'antenne dans le sens de l'épaisseur. L'intégration d'antenne bande basse sur porteur constitue donc un enjeu majeur. Les antennes classiques dédiées a la guerre électronique font habituellement appel a des antennes dites " indépendantes de la fréquence " chargées par une cavité absorbante. Les travaux présentes dans ce manuscrit ont pour but de supprimer les absorbants présents dans les antennes pour a la fois augmenter leur efficacité et réduire leur épaisseur. Nos recherches se sont orientés vers les matériaux dits " artificiels ", les conducteurs magnétiques artificiels (CMA) et des matériaux a bandes interdites électromagnétiques (BIE), permettant la réalisation pratique de réflecteur magnétique. Apres un état de l'art sur les méthodes analytiques, numériques et expérimentales, nous étudions le comportement de l'antenne spirale d'Archimède en espace libre puis en présence de réflecteurs théoriques: conducteur électrique parfait et conducteur magnétique parfait. Nous avons proposé et validé expérimentalement une méthodologie innovante pour la conception d'antenne large bande faible épaisseur. Enfin, nous avons présenté un réflecteur hybride exploitant les propriétés des conducteurs électriques et magnétiques afin d'étendre la bande de fréquences des antennes.

Ce travail de thèse s'intéresse à deux types de matériaux composites en couches minces, dont les constituants sont des nanostructures de forme donnée faites de métal noble ; ils présentent des résonances de plasmon multipolaires. Leurs propriétés optiques dans le spectre visible-proche IR sont étudiées par deux techniques, le calcul par la méthode des éléments finis et l'ellipsométrie généralisée. Le premier type de matériau est le réseau de résonateurs en " U " faits d'or. Les mesures de matrices de Mueller par ellipsométrie permettent de mettre en évidence deux propriétés optiques particulières de ce type d'échantillon : d'une part le couplage magnéto-électrique et d'autre part la dispersion spatiale ; ces deux effets compliquent la description des propriétés optiques d'un matériau. Nous montrons dans un deuxième temps que ce type d'échantillon peut être décrit par un modèle effectif défini par des tenseurs constitutifs de permittivité, perméabilité et chiralité, malgré la dispersion spatiale. L'effet des résonances de plasmon multipolaires est exprimé par des oscillateurs de Lorentz. L'ajustement des paramètres d'un modèle effectif permet de définir complètement les propriétés optiques effectives d'un réseau de résonateurs en " U ". Le second type de matériau est un réseau désordonné de résonateurs hélicoïdaux faits d'argent. L'intérêt principal réside dans l'aspect industrialisable du process de réalisation ; l'inconvénient vient du caractère non-idéal des nanohélices. Nous montrons que ce type d'échantillon présente une dispersion spatiale très forte, mais que les résonances propres observés grâce au calcul par éléments finis sont utilisables pour les métamatériaux.

Cette thèse apporte une contribution théorique et expérimentale à l'exploration des propriétés de dispersion et de polarisation de structures à cristaux photoniques à gradient (GPhCs). Nous explorons pour commencer la relation qui existe entre les déformations des surfaces équi-fréquences (EFS) de différents cristaux photoniques et les paramètres de maille des configurations envisagées. Compte tenu de la complexité des structures possibles obtenues à partir d'un chirp spatial bidimensionnel d'au moins un paramètre de maille, nous avons limité notre étude à un type particulier de structure basé sur un réseau carré de silicium sur isolant (SOI) planaire constitué de trous d'air de facteur de remplissage variable. Une expression analytique des EFS connexes en fonction du rayon des motifs a d'abord été extraite, et une structure GPhC de "référence" a ensuite été proposé pour l'exploration des propriétés de dispersion et de polarisation des GPhCs utilisant à la fois une approche consistant à propager un ou plusieurs rayons optiques dont les trajectoires sont données par les équations de l'optique Hamiltonienne et une approche tout numérique basée sur des simulations FDTD. Nous décrivons ensuite les processus de fabrication de salle blanche des structures à cristaux photoniques graduels, obtenues à partir de substrats semiconducteurs par lithographie par faisceau d'électrons et gravure ionique réactive. Les échantillons fabriqués sont étudiés expérimentalement par des techniques de mesure en champ lointain et en champ proche (SNOM) en s'appuyant sur une collaboration avec un autre groupe du CNRS. Les résultats expérimentaux montrent une relation dispersive quasi-linéaire de 0.25μm/nm dans la gamme de longueur d'onde allant de 1470nm à 1600nm. Les premiers dispositifs fabriqués présentent aussi la possibilité de séparer des couples de deux longueurs d'onde (démultiplexage) avec des pertes d'insertion faibles (inférieures à 2 dB) et un niveau de diaphonie faible (de l'ordre de -20 dB). Ils présentent également un effet très net de séparation des polarisations de la lumière avec une diaphonie inter-polarisations TE/TM de -27dB dans une bande spectrale de l'ordre de 70 nm. Au-delà de ces mesures optiques obtenus dans une configuration particulière de cristal photonique graduel, les travaux présentés dans cette thèse ont permis l'observation directe de la transition entre les régimes d'homogénéisation et de diffraction de propagation de la lumière dans un matériau optique artificiel tout diélectrique. Globalement, la méthodologie présentée et adoptée pour l'étude de la propagation de la lumière dans les structures étudiées a ouvert des perspectives pour la réalisation de fonctions optiques plus complexes.

Les matériaux absorbants électromagnétiques, ou " Radar Absorbing Materials " (RAM), ont été créés à la fois aux USA et en Allemagne lors de la seconde guerre mondiale. Les applications des absorbants appartiennent principalement aux domaines de la Compatibilité ElectroMagnétique (CEM) et de la discrétion radar. Ces absorbants sont lourds et encombrants. Au travers de cette thèse, nous cherchons à développer une solution pour pallier à ces inconvénients grâce aux absorbants à métamatériaux. Les métamatériaux sont des composites artificiels présentant des propriétés électromagnétiques que l'on ne retrouve pas dans la nature. En utilisant ce type de matériaux, nous pouvons obtenir des absorbants ultras fins, et par l'optimisation et la conception couvrir des bandes larges en fréquence. Nous proposons donc plusieurs formes basiques d'absorbant à métamatériaux. De ces formes, nous présentons un modèle théorique et développons les techniques pour définir leur fréquence de fonctionnement et les paramètres nécessaires pour obtenir une absorption totale. Puis nous étudions plus en détail nos différents prototypes à travers des simulations et des mesures. Nous étudions aussi le couplage des absorbants à métamatériaux avec des absorbants traditionnels pour créer un type d'absorbant inédit.

Nous proposons d'explorer dans le cadre de la thèse des solutions originales permettant d'obtenir des caractéristiques de rayonnement peu dépendantes du support de l'antenne. Les antennes étudiées et conçues visent à être utilisées pour des applications GNSS et plus précisément pour des applications multi-bandes du GNSS. Nous les développerons donc en respectant un cahier des charges associé. Deux axes de recherche indépendants sont explorés. Le premier montre les propriétés naturelles d'une antenne composée de plusieurs structures rayonnantes. Nous associons ainsi une structure hélicoïdale équivalente à un dipôle magnétique et un plan métallique équivalent à un dipôle électrique. La taille et les performances de l'antenne ainsi réalis ée sont comparables par bien des aspects aux antennes que l'on trouve actuellement dans le commerce pour les applications GNSS. L'antenne réalisée est une antenne mono-bande en polarisation rectiligne ; ce qui n'est pas en accord avec les spécifications de l'application envisagée. Pour compléter cette première étude et satisfaire les exigences d'applications GNSS multi-bandes, nous nous orientons vers une autre technologie qui est exposé dans le second axe. Dans le second axe, nous associons une antenne électrique et un plan ré ecteur particulier : une Surface Haute Impédance. L'association de ces deux éléments permet en théorie de réduire l'épaisseur qu'aurait un dispositif classique composé d'une antenne électrique et d'un plan réflecteur métallique. Nous commençons donc par étudier la particularité du plan réflecteur choisi, c'est-à-dire la Surface Haute Impédance. Cette surface étant composé de motifs périodiques nous étudierons le motif qui permet d'obtenir les caractéristiques les plus proches de celles de l'application visée. Nous débutons par une étude en monobande suivi de l'étude d 'un motif bi-bande. Le motif mono-bande conçu en simulation présente une très bonne bande-passante (13%) au vue de sa taille minimale (2,5mm). Le motif bi-bande réalisé par imbrication de motifs mono-bande permet d'obtenir en simulation des performances conformes aux attentes dans deux bandes GNSS choisies. L'étude de cette surface se poursuit par une phase de mesure. Le but de l'étude étant de pouvoir placer une antenne au-dessus de la surface fabriquée, une collection d'antennes sera développée afin de régler la surface haute impédance et dans le même temps de tester le dispositif complet. Ainsi dans un premier temps, nous utiliserons des dipôles pour tester et régler la Surface Haute Impédance. Dans cette partie le couplage entre l'antenne et la surface haute impédance placée en-dessous sera notamment étudié. Dans un deuxième temps, afin d'obtenir une polarisation circulaire nous utiliserons d'autres antennes supportant cette polarisation (dipôle croisé et spirale). Dans chaque phase de mesure, le réglage antenne et Surface Haute Impédance sera optimisé et divers paramètres de réglage seront identifiés. Pour les deux axes de recherche, ce sont non seulement le rayonnement que nous cherchons à maîtriser mais aussi la taille de la structure. Ainsi les structures réalisées sont les plus compactes possibles surtout en terme de finesse. Nous concluons sur les performances des antennes réalisées par rapport au cahier des charges et aux autres antennes existantes et exposons les perspectives du travail réalisé.

Depuis plusieurs années, des travaux en collaboration avec le Département Electromagnétisme et Radar de l'ONERA et le Groupe de Recherche en Electromagnétisme du LAPLACE ont permis l'élaboration d'un modèle basé sur les faisceaux gaussiens traitant l'interaction de champs électromagnétiques avec des structures complexes de grande taille. Dans ce formalisme asymptotique le champ incident est représenté comme une somme de faisceaux élémentaires. Il permet ainsi de ramener le calcul de l'interaction globale du champ avec la structure à une somme d'interactions plus simples. En outre, la distribution gaussienne des faisceaux et la forme canonique des portions d'objets interceptées permettent l'obtention de formulations analytiques des champs rayonnés. Toutefois, ce modèle nécessite la décomposition du champ incident sur une surface courbe présentant une amplitude nulle du champ sur ses bords. Cette contrainte n'est pas limitante dans de nombreux cas sauf celui, par exemple, d'une antenne posée sur un support. En effet, le champ rasant de part et d'autre de l'antenne peut alors être non nul et même interagir fortement avec le support en excitant des ondes de surface. Cette configuration fait apparaître au niveau du modèle un problème de fermeture du domaine de décomposition et de prise en compte des ondes de surface. Ces dernières revêtent un intérêt croissant lié d'une part à l'objectif de miniaturisation des systèmes micro-ondes et d'autre part, au développement récent des métamatériaux. Dans les deux cas les ondes de surface sont soit subies soit utilisées. Cependant, la définition même des ondes de surface et de leurs variantes telles que les ondes de fuite est peu connue et apparaît de manière confuse dans la littérature. Ainsi, l'objectif de cette thèse est double. Il s'agit d'une part, de faire une synthèse la plus claire possible sur les différents types d'ondes de surface et, d'autre part, de proposer une adaptation du modèle faisceaux gaussiens permettant leur prise en compte pour le calcul du couplage antenne-structure. Dans un premier temps, nous étudions les propriétés modales et l'excitation des ondes de surface et de fuite. Puis, nous adaptons des travaux de la littérature afin de modéliser, en deux dimensions, l'excitation de ces ondes par des courants de surface équivalents. A cette occasion nous proposons une formulation analytique, valable à grande distance, de l'interaction d'un faisceau gaussien avec une lame de métamatériau sur métal. Dans la deuxième partie du travail, nous proposons, en deux dimensions, une méthode d'hybridation entre la décomposition en faisceaux gaussiens et la décomposition en courant équivalents de surface. Cette méthode est appliquée au cas d'une antenne placée sur une lame de diélectrique sur métal Nous définissons alors les paramètres pertinents pour décrire l'hybridation des deux méthodes. Après une étude de leur influence sur la qualité des résultats, nous proposons un réglage par défaut donnant de bons résultats dans le cas général.

Dans la partie expérimentale, j'ai étudié quatre split-ring resonators (SRRs) de tailles et de formes légèrement différentes fabriqués par une technique de lithographie électronique adaptée à une étude EELS. Les expériences EELS m'ont permis de détecter les premiers modes propres plasmons de surface (SPs) de ces SRRs dans le domaine du visible et du proche infra-rouge. Les simulations numériques ont par ailleurs montré que la distribution spatiale des SPs dans les SRRs est similaire à celle d'une onde stationnaire plasmonique d'une nanoantenne de même section et de même longueur, alors que ce n'est pas le cas pour le champ électrique. De plus, par rapport à une nanoantenne, le couplage entre les deux pattes du SRR introduit un espacement en énergie différent entre les modes pris successivement, alors que la séparation en énergie entre les modes symétriques en charge d'une part et les modes antisymétriques d'autre part peut encore être maintenue dans un SRR. Dans la partie théorique, j'ai introduit un nouveau type de modes propres quasistatiques, appelés modes propres géométriques qui sont indépendants de l'énergie et de la nature des milieux mis en jeu mais qui dépendent seulement de la forme de la particule étudiée. Ces modes propres m'ont permis d'obtenir, pour la première fois, une expression universelle de la densité locale d'états électromagnétiques (EMLDOS) pour un système plasmonique et de préciser les quantités qui sont mesurées dans les expériences EELS et SNOM. Finalement, une densité d'états pour les modes propres géométriques ne dépendant que de la forme de la particule a été introduite, par analogie avec la EMLDOS "standard" pour les modes propres d'énergie.

La théorie d'homogénéisation élastodynamique des matériaux hétérogènes initiée par J.R. Willis il y a environ une trentaine d'années a récemment reçu une très grande attention. D'après cette théorie qui est mathématiquement exacte, la loi constitutive homogénéisée est non locale en espace et en temps ; le tenseur des contraintes dépend non seulement du tenseur des déformations mais aussi de la vitesse ; la quantité du mouvement dépend à la fois de la vitesse et du tenseur des déformations, faisant apparaître en général une masse anisotrope. Ces propriétés constitutives effectives, qui pourraient être surprenantes d'un point de vue mécanique classique, se révèlent en fait très utiles pour la conception de métamatériaux acoustiques et de capes acoustiques. Ce travail de thèse consiste essentiellement à proposer et développer deux méthodes numériques efficaces pour déterminer les propriétés élastodynamiques effectives des matériaux périodiquement hétérogènes. La première méthode relève de la méthode des éléments finis alors que la deuxième méthode est basée sur la transformée de Fourier rapide. Ces deux méthodes sont d'abord élaborées pour une microstructure périodique 3D quelconque et ensuite implantées pour une microstructure périodique 2D quelconque. Les avantages et les inconvénients de chacune de ces deux méthodes sont comparés et discutés. A l'aide des méthodes numériques élaborées, la théorie de Willis est appliquée au calcul élastodynamique sur un milieu infini hétérogène et celui homogénéisé. Les différents cas d'homogénéisabilité et de non-homogénéisabilité sont discutés / The elastodynamic homogenization theory of heterogeneous materials initiated by J.R. Willis about thirty years ago has recently received considerable attention. According to this theory which is mathematically exact, the homogenized constitutive law is non-local in space and time; the stress tensor depends not only on the strain tensor but also on the velocity; the linear momentum depends on both the velocity and the strain tensor, making appear an anisotropic mass tensor in general. These effective constitutive properties, which may be surprising from a classical mechanical point of view, turn out in fact to be very useful for the design of acoustic metamaterials and acoustic cloaks. The present work is essentially to propose and develop two efficient numerical methods for determining the effective elastodynamic properties of periodically heterogeneous materials. The first method belongs to the finite element method while the second method is based on the fast Fourier transform. These two methods are first developed for any 3D periodic microstructure and then implanted for any 2D periodic microstructure. The advantages and disadvantages of each of these two methods are compared and discussed. Using the elaborated numerical methods, the Willis theory is applied to the elastodynamic computation over the infinite heterogeneous medium and the homogenized one. The various cases of homogeneisability and non-homogeneisability are discussed