Dans ce travail de thèse, on s’intéresse aux applications des concepts d’antenne pour la manipulation de la lumière. Aux fréquences optiques, les antennes métalliques font intervenir des modes de surfaces dit plasmoniques permettant une forte interaction lumière/matière dans des volumes hautement confinés. Pour tirer partie de cette propriété, on s’intéressera à trois applications des antennes plasmoniques. D’abord dans le cadre des sources de photons uniques, on présentera une étude théorique et expérimentale des performances d’émetteurs uniques en présence d’une antenne planaire métallique. Nous proposerons ensuite une stratégie pour améliorer les performances de l’antenne. Puis dans le cadre de la génération électrique de lumière par effet tunnel inélastique, on analysera la modification des propriétés de rayonnement en présence d’un petit cylindre métallique. Cette analyse ouvre la voie à la conception de sources électriques intégrées de plasmons de surface. Enfin dans le cadre de la détection de molécules en faible quantité, on étudiera théoriquement l’interaction d’un faisceau infrarouge avec une couche de molécules résonnantes déposées sur un miroir métallique nanostructuré. / The work of this thesis has been devoted to a few applications of antenna concepts for the manipulation of light. In the optical range, surface modes called surface plasmon polaritons take place in the vicinity of metallic antennas, enabling a strong light/matter interaction within highly confined volumes. In order to take advantage of this property, three applications of plasmonic antennas will be investigated. First, in the case of single-photon sources, both theoretical and experimental studies of single-emitters performance when coupled to a planar metallic antenna will be presented. A strategy to enhance its performance will be studied theoretically. Then, in the case of electrical generation of light by inelastic electron tunneling, we will analyse the modification of radiation properties close to a metallic nano-rod. This analysis paves the way towards the design of integrated, compact electrical sources of surface plasmons. Finally, in the case of detecting a weak quantity of molecules, the interaction between an infrared light beam and a sub-nanometric layer of resonant molecules deposited on a nanostructured metallic mirror will be studied.

Le travail présenté dans ce manuscrit a permis de mettre en lumière les différentes possibilités menant à l'optimisation de l'efficacité de capteurs basés sur la résonance de plasmons de surface localisé (RPSL) et fabriqués par des techniques contrôlant précisément la géométrie des nanostructures métalliques. L'accent a été mis plus particulièrement sur les capteurs par RPSL et sur les capteurs par diffusion Raman exaltée de surface (DRES). Le premier chapitre a rappelé les paramètres clés menant à l'optimisation recherchée, i.e., la nature du métal, la taille de la nanoantenne, sa forme, son milieu environnant, la polarisation du champ électrique incident, la séparation entre les nanoparticules et la présence d'ordres supérieurs. Le second chapitre s'est davantage centré sur les capteurs DRES en exposant le principe et les possibilités d'optimisation de leur signal dans le cas de rangées de nanostructures d'or. Le chapitre 3 s'est consacré à l'observation de l'allure du champ électromagnétique local (amplitude et longueur de décroissance) par l'étude du couplage champ proche entre les nanoparticules d'or.

Metallische Nanostäbe mit einer Länge im Mikrometer-Bereich wirken als Antennen für infrarotes Licht: Indem unter Lichteinfall eine kollektive Schwingung der Leitungselektronen angeregt wird (ein sogenanntes Plasmon), wird das elektrische Feld an den Stabenden stark konzentriert. Besonders starke Feldkonzentrationen treten auf, wenn zwei Antennenarme durch eine schmale Lücke getrennt sind (Dimerantenne). Somit können die Antennen Licht-Materie-Wechselwirkungen -- wie beispielsweise die Absorption infraroten Lichtes von Molekülen -- verstärken. Dieses als oberflächenverstärkte Infrarotabsorption (SEIRA) bezeichnete Phänomen ist sehr nützlich, um Signale in der Infrarotspektroskopie zu verstärken. Diese Arbeit widmet sich der effizienten Herstellung von metallischen Nanostäben für SEIRA. Im ersten Schwerpunktthema werden Dimerantennen, die per Elektronenstrahllithographie (EBL) hergestellt wurden und eine auflösungsbegrenzte Lücke aufweisen, durch eine photochemische Reduktion von Metallsalzkomplexen nachträglich vergrößert. Dadurch verringert sich die Lückengröße und erreicht Werte deutlich unter der Auflösungsgrenze der EBL. Es wird gezeigt, dass diese photochemische Abscheidung die IR-optischen Eigenschaften der Dimerantennen durch plasmonische Kopplung entscheidend verändert. Zudem steigt die Infrarotabsorption von in der Lücke befindlichen Molekülen mit sinkender Lückengröße. Im zweiten Schwerpunktthema liegt der Fokus auf der günstigen Fabrikation einer Vielzahl von IR-Antennen in einem parallelen Prozess. Dabei werden poröse Template aus anodisiertem Aluminiumoxid (AAO) als Negativ für die herzustellenden Metallstäbe benutzt. Es wird zuerst gezeigt, dass die Poren des Templates durch die photochemische Reduktion von Goldsalzkomplexen befüllt werden können. Für eine gezielte Einstellung der Stäbchenlänge und die Generierung einer nanoskaligen Lücke wird weiterhin die elektrochemische Befüllung der Template untersucht. Die hiermit hergestellten IR-Antennen werden vereinzelt, auf ein Substrat aufgetragen und hinsichtlich ihrer Struktur und ihrer IR-optischen Eigenschaften charakterisiert. Die Vor- und Nachteile der untersuchten Herstellungsmethoden und ihre Eignung für die Fabrikation von IR-Antennen für SEIRA werden diskutiert. / Metallic nanorods with lengths in the micrometer regime act as antennas for infrared light: As incident light excites a collective oscillation of the conduction electrons (a so-called plasmon), the electric field is concentrated at the rod ends. In case two antenna arms are separated by a small gap (dimer antenna), a particularly high field concentration occurs. Thereby the antennas are capable of enhancing light-matter-interaction -- for example the absorption of infrared light by molecules. This phenomenon, termed as surface enhanced infrared absorption (SEIRA), is very useful to enhance absorption signals in infrared spectroscopy. This thesis attends to the efficient fabrication of metallic nanorods for SEIRA. The first topic in focus is the manipulation of dimer antennas fabricated by electron beam lithography (EBL), featuring a gap of resolution-limited size. By applying a photochemical reduction of metal salt complexes in solution, the dimer arms are subsequently enlarged. Thereby the gap size is reduced and reaches values clearly below the resolution limit of EBL. It is shown that the IR optical properties of dimer antennas dramatically change during photochemical metal deposition. This is due to plasmonic coupling. Additionally, the absorption of infrared light by molecules located in the gap increases with decreasing gap size. The second topic in focus is the cheap fabrication of a large number of IR antennas in a parallel process. Here, porous templates of anodized aluminum oxide (AAO) are used as a negative for the metal rods to be fabricated. Firstly, it is shown that the pores of the template can be filled by photochemical reduction of gold salt complexes. For a targeted adjustment of the rod lengths and the generation of a nanoscale gap, secondly, the electrochemical filling of acsu AAO is investigated. The IR antennas prepared by this method are extracted from the template, transferred to a substrate, and individually characterized in terms of their structure and IR optical properties. Advantages and drawbacks of the fabrication methods investigated in this work as well as their applicability to the fabrication of IR antennas for SEIRA are being discussed.

L ’intérêt des nano-particules pour le domaine de l ’optique visible a été suscité lors du premier rapport rédigé par Faraday en 1857 et qui a initié les bases de la production de nanoparticules métalliques en vue de leur propriété optiques inattendues (coloration des solutions). Plus récemment, le contrôle et le guidage de la lumière basés sur l’excitation de résonance plasmon dans les nanostructures a permis beaucoup d’applications liées à la vie quotidienne et impliquant la lumière. La résonance plasmonique de structures métalliques estun phénomène essentiel qui conduit à des propriétés optiques uniques à travers l’interaction de la lumière avecles électrons libres du métal. L’excitation de la résonance plasmon localisé (LSPR) permet d’exalter localement l’énergie électromagnétique comme dans le cas des nano-antennes mais aussi d’acheminer la lumière à travers des canaux de dimensions sub-l sur de grandes distances distances grâce à l’excitation du Plasmonde Surface Propagatif (PSP). Au cours de cette thèse, nous avons étendu un algorithme existant afin de calculer la réponse optique (sections efficaces de diffusion et d’absorption) de NPs ayant une forme géométrie quelconque. Ce type de NP anisotrope (vis-à-vis de la polarisation incidente) peut présenter à la résonance plasmonique une section efficace de diffusion 25 fois supérieure à celle géométrique. De plus, une étude systématique importante a été effectuée afin d’optimiser la géométrie de tels Nps.En ce qui concerne la PSP qui est impliqué dans la transmission exaltée à travers les matrices d’ouvertures annulaires AAA, nous avons entrepris une étude systématique des propriétés de l’excitation du mode particul particulier sans coupure de ces nano - guides. Il s’agit du mode Transverse Electrique et Magnétique (TEM). Une étude numérique complète est alors effectuée pour correctement concevoir la structure avant qu’elle ne soit expérimentalement fabriquée et caractérisée. Pour palier certaines contraintes expérimentale, une structure inclinée est proposée et étudiée dans le cas d’un métal parfaitement conducteur. Nous avons démontrée numériquement et analytiquement certaines propriétés intrinsèques de la structure montrant un coefficient de d’au moins 50% d’un faisceau incident non polarisé indépendamment des conditions d’éclairage (polarisation,angle et plan d’incidence). Lorsque le mode TEM est excité, le flux laminaire de l’énergie à travers la structure présente une déviation géante sur de très petites distances inférieures à la longueur d’onde. Les résultats présentés dans cette thèse pourraient être considérés comme une contribution importante à la compréhension du phénomène de transmission exaltée basé sur l’excitation de ce type de mode guidé. / The release of the rst report by Faraday in 1857 set the foundation of the production of metal nanoparticlesand their unexpected optical properties (coloring). More recently, controlling and guiding light via plasmonicresonance in nanostructures enable a lot of applications affecting everyday life that involves light. Plasmonresonance of metallic structures is a key phenomenon that allows unique optical properties through the interactionof light with the free electrons of the metal. The excitation of Localized Surface Plasmon Resonance(LSPR) leads to turn-on large local enhancements of electromagnetic energy as within antennas or to routelight as waveguide to desired region with high transmission through the excitation of Propagating SurfacePlasmon (PSP). During this thesis, we have developed an existing algorithm in order to calculate the opticalresponse of NPs of any shape. We have especially determined the localized energy enhancement factor interm of optical response of nano-antenna. This anisotropic (polarization dependent) NPs type can feature, atplasmon resonance, scattering efciency factor higher than 25. Moreover, an important systematic study hasbeen performed in order to optimize design of such NPs.Concerning the PSP that are involved in the enhanced transmission through Annular Aperture Arrays (AAAs),we systematically study the properties of the excitation of the peculiar Transverse ElectroMagnetic (TEM) guidedmode inside such nano-apertures. A complete numerical study is performed to correctly design the structurebefore it is experimentally characterized. For reasons associated to fabrication constraints and efciency,a slanted AAA made in perfectly conducting metal is proposed and studied. We numerically and analyticallydemonstrate some intrinsic properties of the structure showing a transmission coefcient of at least 50%ofan un-polarized incident beam independently of the illumination configuration (polarization, angle, and planeof incidence). At the TEM peak transmission, the laminar flow of the energy through the structure can exhibitgiant deviation over very small distances ( ). The results presented in this thesis could be considered as animportant contribution to the understanding of the enhanced transmission phenomenon based on the excitationof guided modes

Metallische Nanostäbe mit einer Länge im Mikrometer-Bereich wirken als Antennen für infrarotes Licht: Indem unter Lichteinfall eine kollektive Schwingung der Leitungselektronen angeregt wird (ein sogenanntes Plasmon), wird das elektrische Feld an den Stabenden stark konzentriert. Besonders starke Feldkonzentrationen treten auf, wenn zwei Antennenarme durch eine schmale Lücke getrennt sind (Dimerantenne). Somit können die Antennen Licht-Materie-Wechselwirkungen -- wie beispielsweise die Absorption infraroten Lichtes von Molekülen -- verstärken. Dieses als oberflächenverstärkte Infrarotabsorption (SEIRA) bezeichnete Phänomen ist sehr nützlich, um Signale in der Infrarotspektroskopie zu verstärken. Diese Arbeit widmet sich der effizienten Herstellung von metallischen Nanostäben für SEIRA. Im ersten Schwerpunktthema werden Dimerantennen, die per Elektronenstrahllithographie (EBL) hergestellt wurden und eine auflösungsbegrenzte Lücke aufweisen, durch eine photochemische Reduktion von Metallsalzkomplexen nachträglich vergrößert. Dadurch verringert sich die Lückengröße und erreicht Werte deutlich unter der Auflösungsgrenze der EBL. Es wird gezeigt, dass diese photochemische Abscheidung die IR-optischen Eigenschaften der Dimerantennen durch plasmonische Kopplung entscheidend verändert. Zudem steigt die Infrarotabsorption von in der Lücke befindlichen Molekülen mit sinkender Lückengröße. Im zweiten Schwerpunktthema liegt der Fokus auf der günstigen Fabrikation einer Vielzahl von IR-Antennen in einem parallelen Prozess. Dabei werden poröse Template aus anodisiertem Aluminiumoxid (AAO) als Negativ für die herzustellenden Metallstäbe benutzt. Es wird zuerst gezeigt, dass die Poren des Templates durch die photochemische Reduktion von Goldsalzkomplexen befüllt werden können. Für eine gezielte Einstellung der Stäbchenlänge und die Generierung einer nanoskaligen Lücke wird weiterhin die elektrochemische Befüllung der Template untersucht. Die hiermit hergestellten IR-Antennen werden vereinzelt, auf ein Substrat aufgetragen und hinsichtlich ihrer Struktur und ihrer IR-optischen Eigenschaften charakterisiert. Die Vor- und Nachteile der untersuchten Herstellungsmethoden und ihre Eignung für die Fabrikation von IR-Antennen für SEIRA werden diskutiert. / Metallic nanorods with lengths in the micrometer regime act as antennas for infrared light: As incident light excites a collective oscillation of the conduction electrons (a so-called plasmon), the electric field is concentrated at the rod ends. In case two antenna arms are separated by a small gap (dimer antenna), a particularly high field concentration occurs. Thereby the antennas are capable of enhancing light-matter-interaction -- for example the absorption of infrared light by molecules. This phenomenon, termed as surface enhanced infrared absorption (SEIRA), is very useful to enhance absorption signals in infrared spectroscopy. This thesis attends to the efficient fabrication of metallic nanorods for SEIRA. The first topic in focus is the manipulation of dimer antennas fabricated by electron beam lithography (EBL), featuring a gap of resolution-limited size. By applying a photochemical reduction of metal salt complexes in solution, the dimer arms are subsequently enlarged. Thereby the gap size is reduced and reaches values clearly below the resolution limit of EBL. It is shown that the IR optical properties of dimer antennas dramatically change during photochemical metal deposition. This is due to plasmonic coupling. Additionally, the absorption of infrared light by molecules located in the gap increases with decreasing gap size. The second topic in focus is the cheap fabrication of a large number of IR antennas in a parallel process. Here, porous templates of anodized aluminum oxide (AAO) are used as a negative for the metal rods to be fabricated. Firstly, it is shown that the pores of the template can be filled by photochemical reduction of gold salt complexes. For a targeted adjustment of the rod lengths and the generation of a nanoscale gap, secondly, the electrochemical filling of acsu AAO is investigated. The IR antennas prepared by this method are extracted from the template, transferred to a substrate, and individually characterized in terms of their structure and IR optical properties. Advantages and drawbacks of the fabrication methods investigated in this work as well as their applicability to the fabrication of IR antennas for SEIRA are being discussed.

Caractériser la fonction des protéines est crucial pour notre compréhension des mécanismes moléculaires de la vie, des maladies, et aussi pour inspirer de nouvelles applications en bionanotechnologie. Pour y arriver, il est nécessaire de caractériser la structure et la dynamique de chaque état occupé par la protéine durant sa fonction. La caractérisation expérimentale des états transitoires des protéines représente encore un défi majeur parce que les techniques à haute résolution structurelle, telles que la spectroscopie RMN et la cristallographie aux rayons X, peuvent difficilement être appliquées à l’étude des états de courte durée. De plus, les techniques à haute résolution temporelle, telles que la spectroscopie de fluorescence, nécessitent généralement une chimie complexe pour introduire des fluorophores à des endroits spécifiques dans la protéine. Dans cette thèse nous introduisons l’utilisation des nanoantennes fluorescentes en tant que nouvelle stratégie pour détecter et signaler les changements de conformation des protéines via des interactions non covalentes entre des fluorophores spécifiques et la surface de la protéine. En utilisant des expériences et des simulations moléculaires, nous démontrons que des fluorophores chimiquement divers peuvent se lier et être utilisés pour sonder différentes régions d’une enzyme modèle, la phosphatase alcaline (PA). Ces nanoantennes peuvent être fixées directement aux protéines ou utilisées à l'aide du système de fixation simple et modulaire, le complexe biotine-streptavidine (SA), qui permet un criblage rapide et efficace de la nanoantenne optimale tant dans sa composition que sa longueur. Dans le cas de la PA, nous montrons que nos nanoantennes permettent la détection et la caractérisation des conformations distinctes incluant les changements conformationnels nanoscopiques produisant durant la catalyse du substrat. Nous démontrons également que les signaux fluorescents émis par la nanoantenne peuvent également permettre de caractériser la cinétique enzymatique d’une protéine en une seule expérience tout en incluant la détermination des paramètres « Michaelis-Menten » de ses substrats et inhibiteurs. Nous avons également exploré l'universalité de la stratégie ces nanoantennes fluorescentes en utilisant une autre protéine modèle, la Protéine G et son interaction avec les anticorps, et avons démontré son utilité pour mettre au point un essai permettant de détecter les anticorps. Ces nanoantennes simples et faciles à utiliser peuvent être appliquées pour détecter et analyser les changements conformationnels de toutes tailles et nos résultats suggèrent qu'elles pourraient être utilisées pour caractériser n’importe quel type de fonction. / The characterisation of protein function is crucial to understanding the molecular mechanisms of life and disease, and inspires new applications in bionanotechnology. To do so, it is necessary to characterise the structure and dynamics of each state that proteins adopt during their function. Experimental study of protein transient states, however, remains a major challenge because high-structural-resolution techniques, including NMR spectroscopy and X-ray crystallography, can often not be directly applied to study short-lived protein states. On the other hand, high-temporal-resolution techniques, such as fluorescence spectroscopy, typically require complicated site-specific labelling chemistry. This thesis introduces the use of fluorescent nanoantennas as a new strategy for sensing and reporting on protein conformational changes through noncovalent dye-protein interactions driven by a high local concentration. Using experiments and molecular simulations, we first demonstrate that chemically diverse dyes can bind and be used to probe different regions of a model enzyme, intestinal alkaline phosphatase (AP). These nanoantennas can be attached directly to proteins or employed using the simple and modular biotin-streptavidin (SA) attachment system, which enables rapid and efficient screening for high sensitivity by tuning their length and composition. We show that these nanoantennas enable the detection and characterisation of distinct conformational changes of AP, including nanoscale conformational changes that occur during substrate catalysis. We also show that the fluorescent signal emitted by the nanoantenna enables complete characterisation of enzyme kinetics in one experiment, including determination of Michaelis-Menten parameters of substrates and inhibitors of AP. We then explored the universality of the nanoantenna strategy by using a different model protein system. Protein G was shown to interact with antibodies, using a rapid screening strategy for antibody detection. These effective and easy-to-use nanoantennas could potentially be employed to monitor various conformational changes, and our results offer potential for characterising various protein functions.