In this work full parametric analysis of nano antennas is presented. To begin with, optical or electronic properties of noble metals such as gold and copper were studied in details to get a clear understanding of their reaction to an incident electromagnetic wave. Complex frequency dependent dielectric functions indicated that in THz metals acts as a dielectric with significant absorption. Simultaneous optimization of the length and the bow angle of a bow-tie antenna resulted in relative electric field intensity enhancement of 8 orders of magnitude for 0.5nm gap and 4 orders of magnitude for 50nm around 28THz resonance frequency. These results are at least 2 orders of magnitude greater than the published optical antennas. Physical reasons behind field localization and intensity enhancement  are  discussed  in  details.  The  solution  of  Maxwell’s  equations  at   the  interface between metallic nano antenna and air is also present in this piece of research. The derived dispersion relation of surface plasmons shows momentum matching at 28.3 THz between free propagating electromagnetic fields’ modes in air and localized modes at the interface. Consequently, Propagating electromagnetic waves are ensured to couple to localized surface propagating modes producing filed enhancement. The integrated SiO2 matching section is theoretically proven to increase transmission to substrate to 75% (compared to 40% without it) which in turn improves the coupled power by 40 times. Nano antennas were fabricated in house using Electron beam lithography with a precise gap of 50nm. In addition, THz diode was designed, fabricated and integrated to the nano antennas to rectify the enhanced THz signal. The integration of the nano diode required a precise overlap of the two arms of the antenna in the rage of 100nm. In order to overcome two arms overlap fabrication challenges, three layer alignment technique was used to produce precise overlap.The THz rectifier was electrically tested and shown high sensitivity and rectification ability without any bias. Finally, nano antenna integrated diode is under optical testing using a 10.6μm Co2 laser at Electro-Optics Lab, Prince Sultan Advanced Technologies Research Institute (PSATRI), King Saud University due to the unavailability of the measurement setup in KAUST.

Cette thèse considère de nouvelles architectures prometteuses des métamatériaux plasmoniques pour biosensing, comprenant: (I) des réseaux périodiques 2D de nanoparticules d'Au, qui peuvent supporter des résonances des réseaux de surface couplées de manière diffractive; (II) Reseaux 3D à base de cristaux plasmoniques du type d'assemblage de bois. Une étude systématique des conditions d'excitation plasmonique, des propriétés et de la sensibilité à l'environnement local dans ces géométries métamatérielles est présentée. On montre que de tels réseaux peuvent combiner une très haute sensibilité spectrale (400 nm / RIU et 2600 nm / RIU, ensemble respectivement) et une sensibilité de phase exceptionnellement élevée (> 105 deg./RIU) et peuvent être utilisés pour améliorer l'état actuel de la technologie de biosensing the-art. Enfin, on propose une méthode de sondage du champ électrique excité par des nanostructures plasmoniques (nanoparticules uniques, dimères). On suppose que cette méthode aidera à concevoir des structures pour SERS (La spectroscopie du type Raman à surface renforcée), qui peut être utilisée comme une chaîne d'information supplémentaire à un biocapteur de transduction optique. / This thesis consideres novel promissing architechtures of plasmonic metamaterial for biosensing, including: (I) 2D periodic arrays of Au nanoparticles, which can support diffractively coupled surface lattice resonances; (II) 3D periodic arrays based on woodpile-assembly plasmonic crystals, which can support novel delocalized plasmonic modes over 3D structure. A systematic study of conditions of plasmon excitation, properties and sensitivity to local environment is presented. It is shown that such arrays can combine very high spectral sensitivity (400nm/RIU and 2600 nm/RIU, respectively) and exceptionally high phase sensitivity (> 105 deg./RIU) and can be used for the improvement of current state-of-the-art biosensing technology. Finally, a method for probing electric field excited by plasmonic nanostructures (single nanoparticles, dimers) is proposed. It is implied that this method will help to design structures for SERS, which will later be used as an additional informational channel for biosensing.

Les phonons polaritons de surface (SPhPs) sont des ondes électromagnétiques de surface évanescentes générées par le couplage phonon-photon et se propageant le long d’une interface entre un milieu polaire (tel que SiO2 et SiC) et un diélectrique. Dans ce mémoire, nous nous intéressons à de possibles applications des SPhPs pour améliorer les performances thermiques des nanosystèmes, en focalisant leur énergie thermique avec des micro- et nanostructures, en réduisant leurs angles de diffraction à travers des ouvertures sub-longueur d’onde, et en démontrant leur émission thermique cohérente large-bande. Nous avons aussi effectué des mesures par microscopie spectrophotométrique infrarouge de micro-objets et démontré l’excitation thermique de modes de grandes longueurs de propagation dans un large domaine spectral. Nos résultats sont obtenus sur des bases à la fois théoriques, de simulations numériques et expérimentales. Ces travaux sont pertinents dans les domaines liés au transfert thermique, à l’optique infrarouge, au rayonnement thermique de champ proche, à la microscopie infrarouge, et à la polaritonique. / Surface phonon-polaritons (SPhPs) are evanescent electromagnetic surface waves generated by the phononphoton coupling and that propagate along the interface of a polar medium (such as SiO2 and SiC) and a dielectric one. In this work, we investigate possible applications of SPhPs for enhancing the thermal performance of micro- and nanoscale devices, focusing of thermal energy with micro-structures, decreasing the diffraction angles of infrared radiation on subwavelength apertures, and demonstrating broadband coherent thermal emission. We also perform infrared spectroscopy microscopy measurements of microscale objects and demonstrate long-range thermally excited surface modes in a broad frequency range. The results presented in this thesis can have possible applications in fields related to heat transfer, infrared optics, near-field thermal radiation, infrared microscopy, and polaritonics.

La conduction thermique devient moins efficace à mesure que la taille des struc-tures diminuent en desous du micron, car la diffusion de surface des phononsdevient prédominante et limite plus efficacement les phonons que la diffusionphonon-phonon Umklapp. Des études récentes ont indiqué que les phonon po-laritons de surface (SPhPs), qui sont les ondes électromagnétiques évanescentesgénérées par l’hybridation des phonons optiques et des photons et se propageantà la surface d’une surface diélectrique polaire, pourraient servir de nouveauxvecteurs de chaleur pour améliorer les performances thermiques dans des dis-positifs micro- et nano-métriques. Nous étudions l’état des SPhPs existantdans un film submicronique diélectrique dans une large gamme de fréquences.Le calcul de la conductivité thermique des SPhPs basé sur l’équation de trans-port de Boltzmann (BTE) montre que le flux de chaleur transporté par lesSPhPs est supérieur à celui des phonons. Nous effectuons également une mesurede réflectance thermique dans le domaine temporel (TDTR) de films submi-croniques deSiNet démontrons que la conductivité thermique due aux SPhPsà haute température augmente lorsque l’épaisseur du film dimine. Les résultatsprésentés dans cette thèse ont des applications potentielles dans le domaine dutransfert de chaleur, de la gestion thermique, du rayonnement en champ proche et de la polaritoniques. / Thermal conduction becomes less efficient as structures scale down into submicron sizes since phonon-boundary scattering becomes predominant and impede phonons more efficiently than Umklapp scattering. Recent studies indicated that the surface phonon polaritons (SPhPs), which are the evanescent electromagnetic waves generated by the hybridation of the optical phonons and the photons and propagating at the surface of a polar dielectric material surface, potentially serve as novel heat carriers to enhance the thermal performance in micro- and nanoscale devices. We study the condition of SPhPs existing in a dielectric submicron film with a broad frequency range. The calculaton of SPhPs thermal conductivity based on Boltzmann transport equation (BTE) demonstrates that the heat flux carried by SPhPs exceeds the one carried by phonons. We also conduct a time-domain-thermal-reflectance (TDTR) measurement of $SiN$ submicron films and demonstrate that the thermal conductivity due to the SPhPs at high temperatures increases by decreasing the film thickness. The results presented in this thesis have potential applications in the field of heat transfer, thermal management, near-field radiation and polaritonics.