Ce travail de thèse est une contribution à l’étude des propriétés optiques de structures plasmoniques composées de nanoparticules métalliques. Il s’appuie sur diverses simulations numériques réalisées à l’aide de la méthode des différences finies dans le domaine temporel ou FDTD (Finite-Difference Time-Domain). La première partie de ce travail concerne l’étude d’un réseau périodique de nanofils d’or, de section droite rectangulaire, situé au sein d’un environnement diélectrique multi-couches. L’influence des paramètres géométriques des nanofils, de la période du réseau et de l’épaisseur de diélectrique recouvrant les nanofils sur la position spectrale de la résonance plasmonique a été explorée. Cette étude a démontré que la longueur d’onde de résonance oscille quand l’épaisseur du diélectrique recouvrant les nanofils varie. Un modèle analytique simple a été développé afin de mieux appréhender l’origine de ces oscillations. L’influence des indices de réfraction de la matrice diélectrique sur les paramètres de l’oscillation a également été analysée. La deuxième partie de ce travail a été consacrée à la détermination et à l’étude de facteurs contrôlant la sensibilité des capteurs à résonance de plasmons de surface localisés. Différentes formes de nanoparticules et différents types de nanofils ont été analysés. De plus, trois grands thèmes ont été abordés :- l’influence sur la sensibilité du substrat sur lequel sont déposées les nanoparticules,- l’influence sur la sensibilité du matériau recouvrant les nanoparticules et,- l’origine du lien existant entre la longueur d’onde de résonance plasmonique et la sensibilité des nanoparticules à un changement d’indice de réfraction. / This thesis is a contribution to the optical properties study of plasmonic structures composed by metallic nanoparticles. This study is based on numerical simulation results obtained by the Finite-Difference Time-Domain method (FDTD).The first part of this work is related to the analysis of gold nanowires periodic arrays, which section is rectangular, placed in a multi-layered dielectric environment. The influence of the nanowires geometrical parameters, of the array period and of the dielectric thickness covering the nanowires on the Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) spectral position has been explored. This study especially demonstrated that the resonance wavelength oscillates when the dielectric thickness covering the nanowires is varying. A simple analytical model has been developed in order to better understand the oscillations origin. The influence of the refractive indexes of the dielectric matrix on the oscillation parameters has been analyzed too.The second part of this work concerns the determination and the study of factors controlling LSPR sensors sensitivity. Different shapes of nanoparticles and different kinds of nanowires have been considered. Moreover, three wide topics have been approached in this part:- the influence of the nanoparticles substrate on the sensitivity,- the influence of the material covering the nanoparticles on the sensitivity and,- the origin of the relationship between the LSPR wavelentgh and the refractive index sensitivity of the nanoparticles.

La matière dense et tiède (WDM) est un régime caractérisé par une densité proche du solide pour une température avoisinant celle de Fermi. Pour étudier cet état de la matière, dans cette thèse, une expérience d'interférométrie dans le domaine des fréquences est mise en place afin de mesurer la phase et la réflectivité - dans les deux directions de polarisation S et P - d'une onde sonde en réflexion sur un échantillon chauffé de manière très brève par une impulsion laser ultra-courte (sub-100fs). Il est alors porté dans un état hors-équilibre. Une méthode basée sur les mesures de réflectivité est mise en place pour contrôler la forme de l'interface entre le vide et la matière chauffée. Pour des fluences laser de l'ordre de 1 J/cm2, l'hydrodynamique d'un échantillon chauffé est étudiée par la mesure du déplacement de la surface et comparée au code hydrodynamique à deux températures ESTHER. Ensuite, la fonction diélectrique à 800 nm et 400 nm est déduite des mesures expérimentales et certaines quantités en sont extraites comme la densité électronique, la température électronique et les fréquences de collision en régime WDM. Elles sont par la suite comparées avec des modèles couramment utilisés.

Les recherches présentées dans ce mémoire ont été rendues possible grâce à la contribution financière du CRSNG, par à leur Programme de subventions à la découverte (SD) et leur Programme de bourses d’études supérieures du Canada au niveau de la maîtrise (BESC M); du FRQNT, par leur Programme de bourse de maîtrise (B1); et du CLS, par leur Graduate and Post-Doctoral Student Travel Support Program. / Le graphène est un nano-matériau très prometteur grâce à ses excellentes propriétés mécaniques, optiques et électriques. Toutefois, la plupart de ses applications les plus novatrices requièrent de l'altérer, mais la compréhension du graphène altéré est encore limitée. Certaines applications envisagées sont en optique infrarouge. Or, notre compréhension actuelle du graphène ne permet pas d’expliquer l’apparition des pics infrarouges qui sont observés dans les bicouches et dans les monocouches fonctionnalisées. Le comportement du graphène fonctionnalisé est particulièrement contre-intuitif, puisque l’ajout de greffons le rend plus transparent, et non pas plus opaque! Un modèle proposé par Bruno Rousseau, un étudiant post-doctorant du professeur Michel Côté à l'Université de Montréal, suggère une explication à ce phénomène: bien que les phonons du graphène ne puissent pas coupler directement avec la lumière, ils coupleraient indirectement avec celle-ci grâce à des collisions sur les électrons, qui eux, peuvent coupler avec les photons. Ce couplage indirect peut produire des interférences parfois constructives, parfois destructives, de telle sorte que ce mécanisme peut autant produire des pics d’absorbance que de transparence. Dans le cadre de ce mémoire, nous avons entrepris de vérifier expérimentalement la validité de ce modèle, et nous concluons qu’il semble prédire adéquatement le comportement de l’activité infrarouge des bicouches de graphène et des monocouches fonctionnalisées. Nous avons aussi étudié les méthodes par lesquelles nous synthétisions ces différents types de graphène afin de les optimiser. Enfin, nous avons déterminé des techniques, basées sur la spectroscopie Raman, permettant de bien caractériser l’intensité de l’altération causée par ces méthodes. / Graphene is a promising nanomaterials thanks to its excellent mechanical, optical and electrical properties. However, its most innovative applications require that it be altered, but the understanding altered graphene is still limited. Some applications are considered in infrared optics. However, our current understanding of graphene does not explain the appearance of the infrared peaks that are observed in bilayers and grafted monolayers. The behaviour of grafted graphene is especially baffling, since the addition of grafts makes it more transparent, not less! A model proposed by Bruno Rousseau, a postdoctoral student of Professor Michel Côté at Université de Montréal, suggests an explanation for this phenomenon: although the phonons of graphene cannot couple directly with light, they could couple indirectly through collisions with the electrons, which can couple with photons. This indirect coupling may produce constructive and destructive interference, depending on the conditions, so this mechanism can produce absorbance peaks as much as transparency peaks. In this master’s thesis, we have undertaken to experimentally verify the validity of this model, and we conclude that it seems to adequately predict the behaviour of the infrared activity of graphene bilayers and grafted monolayers. We also studied the methods by which we synthesized these different types of graphene to optimize them. Finally, we determined techniques based on Raman spectroscopy to characterize the intensity of the alteration induced by these methods.

La matière dense et tiède (WDM) est un régime caractérisé par une densité proche du solide pour une température avoisinant celle de Fermi. Pour étudier cet état de la matière, dans cette thèse, une expérience d'interférométrie dans le domaine des fréquences est mise en place afin de mesurer la phase et la réflectivité - dans les deux directions de polarisation S et P - d'une onde sonde en réflexion sur un échantillon chauffé de manière très brève par une impulsion laser ultra-courte (sub-100fs). Il est alors porté dans un état hors-équilibre. Une méthode basée sur les mesures de réflectivité est mise en place pour contrôler la forme de l'interface entre le vide et la matière chauffée. Pour des fluences laser de l'ordre de 1 J/cm2, l'hydrodynamique d'un échantillon chauffé est étudiée par la mesure du déplacement de la surface et comparée au code hydrodynamique à deux températures ESTHER. Ensuite, la fonction diélectrique à 800 nm et 400 nm est déduite des mesures expérimentales et certaines quantités en sont extraites comme la densité électronique, la température électronique et les fréquences de collision en régime WDM. Elles sont par la suite comparées avec des modèles couramment utilisés. / The Warm Dense Matter (WDM) regime is characterised by a density close to the solid density and an electron temperature close to the Fermi temperature. In this work, the nonequilibrium Warm Dense Matter is studied during the solid to liquid phase transition induced by an ultra short laser interacting with a solid. A 30 femtoseconds time resolution pump-probe experiment (FDI) is set up, yielding to the measurement of the heated sample complex reflectivity for both S and P polarisation.We have determined a criterion based on the measured reflectivities, which permits to control the interface shape of the probed matter. For pump laser fluences around 1 J/cm2, the hydrodynamics of the heated matter is studied and experimental results are compared to the two-temperatures code ESTHER. Furthermore, the evolution of the dielectric function at 800 nm and 400 nm is inferred from our measurements on a sub-picosecond time-scale. Within the Drude-Lorentz model for the conduction electrons, the dielectric function yields information such as ionisation state, electronic temperature and electron collision frequency.