This dissertation consists of two topics. One is a "Multi-pass Fiber Optic Surface Plasmon Resonance Sensor (SPR)" and the other is a "Nano-metallic Surface Plasmon Lens." Since both topics involved surface plasmon, the title of this dissertation is named "Surface plasmon coupled sensor and nanolens." For a multi-pass fiber optic SPR sensor, a fiber optic 4-pass SPR sensor coupled with a field-assist capability for detecting an extremely low concentration of charged particles is first demonstrated. The multipass feature increases the sensitivity by a factor equal to the number of passes. The field-assist feature forces charged particles/molecules to the SPR surface, increasing the sensitivity by an additional factor of about 100. Overall, the sensitivity exceeds the one-pass SPR device by a factor of about 400. A 10 pM concentration of 47 nm diameter polystyrene (PS) latex beads and 1 ?M concentration of salt dissolved in DI water were detected within a few seconds by the combined system. The equivalent index resolution for atomic size corresponding to ionized chlorine in salt is 10-8. This technique offers the potential for sensitive and fast detection of biomolecules in a solution. Secondly, a 44-pass fiber optic surface plasmon resonance (SPR) sensor coupled with a field-assist capability for measurement of refractive index change due to positive and negative ions is shown. The field-assist feature forces ions to the SPR surface, causing the SPR signal response to change which reflects a decrease or increase in refractive index depending on whether positive or negative ions are being attracted to the surface. This technique offers the potential for the sensitive detection of cations and anions in a solution. For a nano-metallic surface plasmon lens, we analyze the transmission of a normally incident plane wave through an Ag/dielectric layered concentric ring structure using finite difference time domain (FDTD) analysis. The dependency of the transmission efficiency on the refractive index in slit is studied. The numerical analysis indicates that the focusing beyond diffraction limit is found even at the extended focal length comparable to the distance of 7" from the exit plane using a circularly polarized coherent plane wave, ?=405 nm. Especially, compared to an Ag-only structure, the Ag/ LiNbO3 structure amplifies the transmission power by a factor of 6. Therefore, this Ag/dielectric layered lens has the potential for significantly higher resolution imaging and optical data storage.

La réponse optique de nano-objets métalliques et semi-conducteurs a été étudiée par spectroscopie par modulation spatiale (SMS), une technique permettant de détecter des nano-objets individuels et d'en mesurer quantitativement la section efficace d'extinction. Dans le cadre de ce travail, nous avons systématiquement corrélé ces mesures optiques à une caractérisation bi- voire tridimensionnelle de leur morphologie, permettant une comparaison précise des mesures avec des simulations numériques. Le premier volet de cette thèse décrit une étude détaillée de l'effet de la déposition de nano-objets métalliques de forme allongée (nanobâtonnets et nanobipyramides) sur un substrat absorbant. Nos expériences montrent qu'elle conduit à un élargissement de la résonance plasmon de surface, dont l'ampleur dépend fortement de la forme et de l'encapsulation des nano objets. En combinant la SMS avec une approche pompe-sonde, nous avons pu mesurer la réponse ultrarapide de nano-bipyramides d'or individuelles, qui contient une contribution de plusieurs de leurs modes de vibration, permettant d'accéder à leur fréquence et taux d'amortissement, en s’attachant en particulier à l'effet d'une encapsulation diélectrique des bipyramides. Au cours de cette thèse, nous avons étendu l'application de la SMS à des nano-objets très allongés avec une dimension micrométrique (nanofils et nanopointes), dans le but notamment d'étudier leur réponse optique, leur interaction avec une nanoparticule d’or et d’obtenir des informations sur leur profil d'absorption, une information essentielle pour l'interprétation d'expériences d'émission électronique (effet de champ) ou ionique (tomographie de sonde atomique) / The optical response of metallic and semi-conductor nano-objects has been studied by spatial modulation spectroscopy (SMS), a technique allowing to detect single nano-objects and to quantitatively measure their extinction cross-sections. During my thesis, we have systematically correlated these optical measurements with the 2D or 3D characterization of their morphology, allowing a precise comparison of the measurements with numerical simulations. The first part of my PhD thesis describes a detailed study of the effect of the deposition of elongated nano-objects on an absorbing substrate. Our experiments show a spectral broadening of the surface plasmon resonance, whose extent highly depends on the shape and the encapsulation of the nano-objects. By combining SMS with a pump-probe approach, we were able to measure the ultrafast response of single gold nano-bipyramids. This response contains a contribution from several vibration modes, allowing extraction of their frequencies and damping times. In particular, we have addressed the effect of a dielectric encapsulation of bipyramids on their vibrational quality factors. During this thesis, we extended the use of SMS to very elongated nano-objects with a micrometric dimension (nanowires and nanotips), with the goal of studying their optical response, their interaction with a gold nanosphere and obtaining information on their absorption profile, as required to interpret electronic (field effect) or ionic (atom-probe tomography) emission experiments

Au cours de ce travail de thèse à caractère expérimental, nous nous sommes attachés à mesurer les spectres absolus de section efficace d’absorption de nanotubes de carbone individuels placés dans différents environnements. Pour ce faire, nous avons développé un dispositif expérimental basé sur la technique de spectroscopie à modulation spatiale qui permet d’accéder de manière directe à la section efficace d’absorption de nano-objets individuels. Cette méthode ne requière aucun a priori sur les propriétés des nanotubes, et très important nous affranchit des effets d’ensemble. Ainsi, nous avons pu étudier les propriétés d’absorption de nanotubes individuels simple et double parois dans les environnements suivants : suspendus librement, agrégés en petit fagot, et déposés sur substrat. Plus précisément, l’évolution de l’absorption excitonique des nanotubes est analysée en fonction des paramètres structuraux (diamètre, nombre de parois, chiralité) et de l’environnement de ces derniers. Un autre aspect de cette thèse a pour objet l’analyse des propriétés de transport électronique des nanotubes de carbone soumis à des pressions hydrostatiques de gaz de l’ordre du gigapascal, avec la possibilité d’accéder au régime des basses températures. Ici, nous nous sommes concentrés sur l’étude de transistors à effet de champ composés de petits fagots de nanotubes de carbone contactés à leurs extrémités par des électrodes en palladium. Dans ce cadre, nous avons notamment réalisé la première observation de l’effet de blocage de Coulomb sous pression. Au final, ce travail de thèse a permis d’analyser les propriétés optiques et électroniques intrinsèques aux nanotubes de carbone et leur évolution sous l’effet de différents environnements (écrantage diélectrique, dopage chimique, contrainte mécanique et pression hydrostatique). Ce travail a pu être réalisé grâce au développement de nouvelles techniques permettant de sonder ces propriétés au niveau du nanotube individuel / In this dissertation, we report on the experimental investigation of the optical properties of single- and double-wall carbon nanotubes. Despite numerous studies performed using photoluminescence or Raman and Rayleigh scattering, knowledge of their optical response is still partial. In particular direct quantitative measurement of their absorption cross-section has not been achieved yet. Using spatial modulation spectroscopy we have determined, over a broad optical spectral range, the spectrum and amplitude of the absorption cross-section of identified individual single- and double-wall carbon nanotubes. These quantitative measurements permit the determination of the oscillator strength of the different excitonic resonances. Furthermore, investigation of the same nanotube, either a single-wall or double-wall nanotube, freestanding or deposited on a substrate shows large broadening with increase of oscillator strength of the excitonic resonances, as well as stark weakening of polarization dependent antenna effects, due to nanotube-substrate interaction. Similar study on nanotube bundles and double-wall nanotubes demonstrate the importance of inter-tube and inter-wall exciton coupling effects which seem to be of different nature in these two types of sample. The second part of this thesis studies electrical transport in carbon nanotube bundles under high pressure condition and low temperature. The behavior of nanotubebased field-effect transistors has been investigated, in the classical and Coulomb blockade regime, under gas-pressure up to 0.9 GPa. Overall, this dissertation communicates on the quantitative analysis of the absorption and electronic properties of carbon nanotubes and how they are influenced by various environmental effects such as dielectric screening, stress induced strain, hydrostatic pressure, or chemical doping. The novelty of this work is to address these issues at the single nanotube level