Les tenants et aboutissants du modèle phénoménologique de percolation (multi-mode par liaison) développé sur site pour la compréhension de base des spectres de vibration Raman et infrarouges des alliages semi-conducteurs de structure zincblende (II-VI et III-V) et diamant (IV-IV) sont explorés plus avant dans des registres novateurs avec les systèmes Ge1-xSix (diamant), Zn1-xBexSe (zincblende) et ZnSe1-xSx (zincblende). La version du modèle de percolation élaborée pour l’alliage GeSi de structure diamant (3 liaisons, 6 modes/phonons), plus élaborée que la version standard originellement développée pour les alliages zincblende (2 liaisons, 3 phonons), est utilisée comme version modèle pour formaliser à travers l’introduction d’un paramètre d’ordre k ad hoc, une aptitude intrinsèque des spectres de vibration, révélée par le modèle de percolation, à ‘mesurer’ la nature du désordre d’alliage, en termes de substitution aléatoire, ségrégation locale ou dispersion locale. L’alliage de percolation Zn0.67Be0.33Se est utilisé comme système modèle pour étudier, à l’aide d’un montage inhabituel de diffusion Raman en avant, la dispersion des phonons transverses optique au tout proche voisinage du centre tau de la zone de Brillouin. A cette limite, ces modes acquièrent un champ électrique semblable à celui d’une onde électromagnétique pure, i.e. un photon, et se voient désignés sous la terminologie de phonon-polaritons. Une spécificité inexplorée des phonon-polariton d’alliage, à savoir leur renforcement à l’approche de tau, est étudiée plus avant avec les alliages Zn0.47Be0.53Se et ZnSe0.68S0.32, et effectivement observée avec le second alliage. Une étude infrarouge a récemment révélé dans la littérature un comportement vibrationnel multi-mode déconcertant pour la liaison courte (Zn-S) de l’alliage ZnSeS. Nous montrons que ce comportement peut être expliqué dans le cadre d’une version généralisée du modèle de percolation, plus élaborée que la version standard, qui prend en compte l’effet de la dispersion phonon en plus de l’effet de la contrainte locale. Par ailleurs l’étude fine du comportement phonon-polariton de la liaison longue (Zn-Se) de l’alliage représentatif ZnSe0.68S0.32 par diffusion Raman en avant révèle un comportement bimodal insoupçonné, qui fait écho à celui de la liaison courte (Zn-S). Cela établit expérimentalement que le schéma de percolation (multi-phonon par liaison) est générique et s’applique à toutes les liaisons d’un alliage donné, en principe. Enfin, nous explorons le comportement du doublet Zn-S de l’alliage ZnSeS à l’approche de la transition de phase zincblende->rocksalt (~14 GPa) par diffusion Raman en avant sous pression, i.e. dans le régime phonon-polariton. Le mode Zn-S basse fréquence s’affaiblit et converge vers le mode haute fréquence sous pression, comme observé plus tôt en rétrodiffusion pour le doublet Be-Se de l’alliage ZnBeSe. Il semble s’agir d’un comportement intrinsèque du doublet de percolation pour la transition de phase considérée, celui-ci reflèterait une sensibilité aux instabilités locales des liaisons hôtes (Zn-Se) à l’approche de leur transition de phase naturelle, caractéristiques composé pur (ZnSe). Ces comportements sont discutés sur la base d’une modélisation des spectres Raman enregistrés pour des processus de diffusion en arrière (géométrie usuelle) et en avant (en fonction de l’angle de diffusion) dans le cadre du formalisme de la réponse diélectrique linéaire. L’attribution des modes Raman est réalisée via des calculs ab initio (code SIESTA) menés sur site avec des motifs d’impureté prototypes. Les prédictions du modèle de percolation concernant la dépendance du spectre Raman de GeSi vs. k sont confrontées à un calcul ab initio direct des spectres Raman (code AIMPRO), mené en collaboration à partir de supercellules couvrant une série représentative de valeurs de k / The ins and outs of the phenomenological percolation model (multi-mode per bond) developed by the team for the basic understanding of the Raman and infrared spectra of semiconductor alloys with zincblende (II-VI & III-V) and diamond (IV-IV) structure are further explored in novel areas with the Ge1-xSix (diamant), Zn1-xBexSe (zincblende) and ZnSe1-xSx (zincblende) alloys. The version of the percolation worked out for the GeSi diamond alloy (3 bonds, 6 modes/phonons), more refined than the current one for zincblende alloys (2 bonds, 3 phonons), is used as a model version to formalize, via the introduction of a relevant order parameter k, an intrinsic ability behind the vibration spectra, to ‘measure’ the nature of the alloy disorder, as to whether this reflects a random substitution, or a trend towards local clustering or local anticlustering. The percolation-type Zn0.67Be0.33Se alloy is used as a model system to study, by using an unconventional Raman setup corresponding to forward scattering, the dispersion of the transverse optic phonons on approaching of tau, the centre of the Brillouin zone. At this limit such modes become equipped with a macroscopic electric field similar in every point to that carried by a pure electromagnetic wave, namely a photon, being then identified as phonon-polaritons. A specificity of the alloy-related phonon-polaritons, namely their reinforcement approaching of tau ,unexplored so far, is further investigated experimentally with the Zn0.47Be0.53Se et ZnSe0.68S0.32 alloys, selected on purpose, and was indeed confirmed in the latter alloy. A recent infrared study of ZnSeS in the literature has revealed a disconcerting multi-phonon pattern for its shorter bond species (Zn-S). We show that such pattern can be explained within a generalized version of the percolation scheme, a more sophisticated one than the standard version, taking into account the effect of the phonon dispersion in addition to the effect of the local strain. Besides, a refined study of the phonon-polariton regime related to the long Zn-Se bond reveals an unsuspected bimodal pattern, which echoes that earlier evidenced for the short (Zn-S) species. This establishes on an experimental basis that the percolation scheme (multi-phonon per bond) is generic and applies as well to any bond species in an alloy, in principle. Last, we explore the behavior of the Zn-S doublet of ZnSeS at the approach of the zincblende->rocksalt (~14 GPa) transition, by near-forward Raman scattering under pressure, i.e. in the phonon-polariton regime. The low-frequency Zn-S mode appears to weakens and converges onto the high-frequency Zn-S mode under pressure, as earlier observed for the Be-Se doublet of ZnBeSe in backscattering. Such behavior seems to be intrinsic to the percolation-type doublet for the considered structural phase transition. This would reflect a sensitivity to the local instabilities of the host bonds (Zn-Se) at the approach of their natural structure phase transitions characteristic of the related pure compound (ZnSe). The above mentioned behaviors are discussed on the basis of a detailed contour modeling of the Raman spectra taken in backscattering (usual geometry) and forward scattering (depending on the scattering angle then) within the scope of the linear dielectric response. The assignment of the Raman modes is achieved via ab initio phonon calculations done within the SIESTA code using prototype impurity motifs. The predictions of the percolation scheme concerning the k-dependence of the GeSi Raman spectra are confronted with direct ab initio calculations of the GeSi Raman spectra done in collaboration (with V.J.B. Torres) using the AIMPRO code on supercells covering a selection of representative k values

La miniaturisation des transistors atteignant aujourd’hui des tailles de l’ordrede la dizaine de nanomètres a introduit des problèmes de contrôle de la chaleuraux courtes échelles. Ce défi industriel, parmi d’autres, a permis l’émergencede l’étude des transferts thermiques à l’échelle nanométrique. Un des axes derecherche de cette thématique concerne le rayonnement de champ proche. Ils’agit de comprendre le comportement des ondes thermiques sur des distancesinférieures à leur longueur d’onde. A cette échelle les ondes contenant la densitéénergétique la plus importante sont des ondes évanescentes, confinées ensurface. Le phonon-polariton de surface (PPS) en est un type : c’est une ondeévanescente se propageant à la surface de matériaux polaires et diélectriques.L’objectif de ce travail de thèse est d’examiner la propagation de PPS le longde la surface de tubes de verre micrométriques, et de montrer en quoi cettegéométrie favorise le transfert de chaleur par le biais de ces ondes.Une étude théorique a été menée pour justifier l’utilisation de ce guide d’ondesde chaleur dont la conductivité thermique peut être jusqu’à doublée grâce auxPPS. La présence des PPS est ensuite détectée expérimentalement. En effetla diffraction de ces ondes à la pointe du tube est décelée par un ensemblemicroscope-spectromètre à transformée de Fourier IR. Le spectre du rayonnementobtenu prouve la diffraction de PPS grâce à leurs signatures spectralesspécifiques. / Miniaturization of transistors, whose sizes reach a few tens of nanometers nowadays,implies new problems of heat control at very short scales. This big challenge among others enabled the emergence of nanoscale heat transfer as a new research domain. Near-field heat transfer is one of the axis of this thematic.It concerns the behavior of thermal waves at a scale shorter than their wave lengths.Under these conditions the waves with the highest energy density are evanescent, that is confined at the surface. Surface phonon-polariton (SPhP) is a particular case of an evanescent wave propagating at the surface of a polar dielectric material. This PhD work consists in examining SPhP propagation along the surface of micrometric glass tubes and in proving the ability of these waves to enhance heat transfer in these systems.A theoretical analysis has been carried out to justify the use of such heat waveguides whose thermal conductivity can be doubled due to SPhP. The experimental detection of those waves based on their diffraction at the tip of the glass tubes is then presented. This emission is measured thanks to the assembly of a microscope and a Fourier-transform IR spectrometer. The presence of SPhPs is proved through measured spectra exhibiting their characteristic spectral signature.

Nowadays plasmonics is rapidly developing areas from fundamental studies to more application driven research. This dissertation contains three different research topics on plasmonics. In the first research topic, by modulating the zone width of a plasmonic zone plate, we demonstrate that a beam focused by a proposed plasmonic zone plate lens can be achieved with higher intensity and smaller spot size than the diffraction-limited conventional zone plate lens. This sub-diffraction focusing capability is attributed to extraordinary optical transmission, which is explained by the complex propagation constant in the zone regions afforded by higher refractive index dielectric layer and surface plasmons. On the other hand, the resulted diffraction efficiency of this device is relatively low. By introducing a metal/dielectric multilayered zone plate, we present higher field enhancement at the focal point. This higher field enhancement originates not only from surface plasmon polaritons-assisted diffraction process along the propagation direction of the incident light (longitude mode), but also from multiple scattering and coupling of surface plasmons along the metal/dielectric interface (transverse mode). In the second research topic, we suggest a novel concept of SERS-active substrate applications. The surface-enhanced Raman scattering enhancement factor supported by gap surface plasmon polaritons is introduced. Due to higher effective refractive index induced by gap surface plasmon polaritons in the spacer region between two metal plates, incident light tends to localize itself mostly in the medium with higher refractive index than its adjacent ones and thereby the lights can confine with larger field enhancement. In the last research topic, we offer a simple structure in which a gold dipole antenna is formed on the SiC substrate. Surface phonon polaritons, counterparts of surface plasmon polaritons in the mid-infrared frequencies, are developed. Due to the synergistic action between the conventional dipole antenna coupling and the resonant excitation of surface phonon polaritons, strong field enhancement in the gap region of dipole antenna is attained. Most of research topics above are expected to find promising applications such as maskless nanolithography, high resolution scanning optical microscopy, optical data storage, optical antenna, SERS-active substrate, bio-molecular sensing and highly sensitive photo-detectors.

<p>Understanding of thermal transport in small scales gains more importance with increasing demand in microelectronics and advancing fabrication technologies. In addition, scarce in energy sources adds more pressure with increasing expectations on research in energy conversion devices and renewable energies. In parallel to these, new phenomena observable only in small scales are discovered with the research, bringing more opportunities for engineers to solve real-world problems by applying the discoveries and more questions to answer. Thermal radiation as a thermal transport phenomenon is the epicenter of this research. Recent developments such as near-field radiative heat transfer exceeding blackbody radiation or control of radiative cooling via biasing grows the attraction on thermal radiation because these examples challenge our long-lasting understanding of nature. Exploring nature further in the small scale may help us meet the expectations mentioned above.</p> <p> </p> <p>In this thesis work, first, we carry out analyses on radiative heat transfer of natural hyperbolic material, calcite, and compare to that of a polar material SiC. Our study reveals that the high- modes within the hyperbolic bands are responsible for the substantial enhancement in near field radiation. Comparison of calcite with SiC illustrates the significance of the high- modes in calcite vs. surface polariton modes in SiC in their contributions to near-field radiation enhancement, for temperature differences ranging from 1 K to 400 K. We also noticed that the contributions of high- modes in calcite to near-field radiation is comparable to that of surface polaritons in SiC. The results of these analyses will be helpful in the search of hyperbolic materials that can enhance near field radiative transfer.</p> <p> </p> <p>Second, we demonstrate an experimental technique to measure near-field radiative heat transfer between two parallel plates at gap distances ranging from a few nanometers to far-field. A differential measurement circuit based on resistive thermometry to measure the defined temperatures are explained. To predict the defined temperatures, a computational method is utilized. We also detail an alignment technique that consists of a coarse and fine alignment in the relevant gap regions. This technique presents a method with high precision for gap measurement, dynamic gap control, and reliable sensitivity for extreme near-field measurements. Finally, we report experimental results that shows 18,000 times enhancement in radiative heat transfer between two parallel plates.</p> <p> </p> <p>Third, we analyze near-field radiative transfer due to hyperbolic phonon polaritons, driven by temperature gradient inside the bulk materials. We develop a mesoscale many-body scattering approach to account for the role of hyperbolic phonon polaritons in radiative transfer in the bulk and across a vacuum gap. Our study points out the equivalency between the bulk-generated mode and the surface mode in the absence of a temperature gradient in the material, and hence provide a unified framework for near-field radiative transfer by hyperbolic phonon polaritons. The results also elucidate contributions of the bulk-generated mode and the bulk temperature profile in the enhanced near-field radiative transfer.</p> <p> </p> <p>Forth, we study radiative heat transfer in hyperbolic material, hyperbolic boron nitride (hBN), and show a major contribution to energy transport arising from phonon polaritons supported in Reststrahlen bands. This contribution increases spectral radiative transfer by six orders of magnitude inside Reststrahlen bands compared to that outside Reststrahlen bands. The equivalent radiative thermal conductivity increases with temperature increase, and the radiative thermal conductivity can be of the same order of the phonon thermal conductivity. Experimental measurements are discussed. We showed the radiative contribution can account for as much as 27 % of the total thermal transport at 600 K. Hence, in hBN the radiative thermal transport can be comparable to thermal conduction by phonons. We also demonstrate contribution of polaritons to thermal transport in MoO₃. To calculate radiative heat transfer in three principal coordinates separately, we modify and apply the derived many-body model. Our analysis shows that radiative thermal conductivity in both in- and out-of-plane directions increases with temperature and contribution to energy transport by polaritons exceeds that by phonons.</p> <p> </p> Fifth, we build an experimental setup to examine near-field properties of materials using an external thermal source. The nanospectroscopy setup combines near-field microscopy technique, near-field scanning optical microscopy (NSOM), and Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy. We further explain challenges in building a nanospectroscopy setup using a weak thermal source and coupling two techniques. This method enables us to investigate spectral thermal radiation and local dielectric properties in nanoscale.

La diffusion Raman est réalisée dans la géométrie inhabituelle de diffusion « en avant » (fonctionnant schématiquement en ‘mode de transmission’) pour explorer la nature et les propriétés des modes phonon-polaritons (polaires) de divers cristaux mixtes A1-xBxC à base de ZnSe. Un aperçu général est recherché en sélectionnant des systèmes qui se rapportent au même composé parent par souci de cohérence - à savoir ZnSe - mais avec différentes structures cristallines, i.e. de type zincblende (cubique : Zn1-xBexSe, ZnSe1-xSx, ZnxCd1-xSe) et de type wurtzite (hexagonal : Zn1-xMgxSe). Les systèmes retenus englobent toute la panoplie des comportements dans le régime de phonons natifs (non polaires) des phonons-polaritons, y compris les déviations sur-diversifiées [1 × (AB), 2 × (AC)] et sous-diversifiées de 1 × (AB, AC) par rapport au type -nominal [1 × (AB), 1 × (AC)], également dénommées multi-mode, 1-mode-mixte et 2-mode, respectivement, dans la classification admise des spectres Raman classiques de cristaux mixtes obtenus dans la géométrie conventionnelle de rétrodiffusion (fonctionnant schématiquement dans en 'mode réflexion'). La modélisation du contour des spectres Raman phonon-polariton obtenus est réalisée dans le cadre de la théorie de la réponse diélectrique linéaire en se basant sur des mesures d’ellipsométrie de l'indice de réfraction, avec des calculs ab initio en appui réalisés sur des motifs d'impureté prototypes dans les limites diluées (x~0,1), pour sécuriser le jeu réduit de paramètres d'entrée qui régissent le comportement phonon de base (non polaire) des cristaux mixtes étudiés. La discussion des spectres Raman obtenus en rétrodiffusion /avant est effectuée dans le cadre du modèle de percolation développé au sein de l’équipe pour une compréhension renouvelée des spectres optiques de vibration des cristaux mixtes. Ce modèle formalise une vision des choses selon laquelle les liaisons chimiques d'une espèce donnée vibrent à des fréquences différentes dans un cristal mixte selon que leur environnement est de même type ou de type différent à l'échelle très locale (des premiers, voire des seconds voisins). [...] / Inelastic Raman scattering is implemented in the unusual (near-)forward scattering geometry (schematically operating in the ‘transmission mode’) to explore the nature and properties of the (polar) phonon-polariton modes of various ZnSe-based A1-xBxC mixed crystals. An overall insight is searched by selecting systems that relate to the same parent compound for the sake of consistency – namely ZnSe – but with different crystal structures, i.e. of the zincblende (cubic: Zn1-xBexSe, ZnSe1-xSx, ZnxCd1-xSe) and wurtzite (hexagonal: Zn1-xMgxSe) types. Most of all, altogether the retained systems span the full variety of behavior in the native (non polar) phonon regime of the phonon-polaritons, including the over-diversified [1×(A−B),2×(A−C)] and sub-diversified 1×(A−B,A−C) deviations with respect to the nominal [1×(A−B),1×(A−C)] type, also referred to as the multi-mode, 1-mixed-mode and 2-mode types, respectively, in the admitted classification of the conventional Raman spectra of mixed crystals taken in the backscattering geometry (schematically operating in the ‘reflection mode’). Fair contour modeling of the obtained phonon-polariton Raman spectra is achieved within the linear dielectric response theory based on ellipsometry measurements of the refractive index and with ab initio calculations in support done on prototypal impurity motifs in both dilute limits (x~0,1), as needed to secure the reduced set of input parameters that govern the native (non polar) phonon mode behavior of the used mixed crystals. The backward/near-forward Raman spectra are discussed within the scope of the so-called percolation model developed within our group for a renewed understanding of the optical vibration spectra of the mixed crystals. This model formalizes a view that the chemical bonds of a given species vibrate at different frequencies in a mixed crystal depending on their like or foreign environment at the very local (first- or second-neighbor) scale. This introduces a generic 1-bond→2-mode phonon behavior for a mixed crystal, presumably a universal one. The main results enunciate as follows. [...]

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.

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.

Il existe au niveau d’interfaces séparant des milieux de constantes diélectriques de signes opposés des ondes électromagnétiques confinées à proximité de ces interfaces. On parle d’ondes de surface. C’est notamment le cas des métaux et des cristaux polaires : on parle alors de plasmons-polaritons de surface et de phonons-polaritons de surface respectivement. L’objectif de cette thèse est de revisiter certains aspects théoriques associés à ces ondes de surface.Dans un premier temps, en nous basant sur le formalisme de Green, nous donnons un moyen d’obtenir une expression du champ des ondes de surface sous forme de somme de modes. En présence de pertes, ces ondes ont nécessairement un vecteur d’onde ou une pulsation complexe. Nous donnons ainsi deux expressions de leur champ, correspondant à chacun de ces deux cas, et discutons de l’opportunité d’utiliser l’une ou l’autre de ces expressions.Nous posons par la suite les bases d’une optique de Fourier et d’une optique géométrique des ondes de surface. Nous montrons comment obtenir une équation de Helmholtz à deux dimensions pour les ondes de surface, un principe d’Huygens-Fresnel pour les ondes de surface, ainsi qu’une équation eikonale pour les ondes de surface, qui s’applique sous certaines hypothèses. Nous nous intéressons également à la superlentille proposée par Pendry, qui s’appuie sur les ondes de surface. Nous étudions notamment le fonctionnement de cette superlentille en régime impulsionnel, et montrons qu’en présence de pertes, il est possible d’obtenir une meilleure résolution avec certaines formes d’impulsion par rapport au régime harmonique, au prix d’une importante baisse de signal toutefois.Nous développons ensuite un traitement quantique des ondes de surface. Nous calculons au préalable une expression de leur énergie, et nous donnons une expression de leur hamiltonien et de leurs opérateurs champ. Sans pertes, nous montrons que le facteur de Purcell prédit par notre théorie quantique est rigoureusement égal au facteur de Purcell calculé avec des outils classiques. Nous comparons ensuite ce facteur de Purcell à celui calculé classiquement avec pertes, et montrons sur un exemple que les pertes peuvent être négligées dans de nombreux cas. Nous donnons enfin une expression des coefficients d’Einstein associés aux ondes de surface permettant d’étudier la dynamique de l’inversion de population d’un milieu fournissant un gain aux ondes de surface. Nous appliquons par la suite ce formalisme quantique à l’interaction électrons-phonons-polaritons de surface dans les puits quantiques, notamment leur interaction avec un mode de phonon du puits particulièrement confiné grâce à un effet de constante diélectrique proche de zéro (epsilon near zero, ENZ). / Interfaces between materials having opposite dielectric constants support electromagnetic waves confined close to these interfaces called surface waves. For metals and polar crystals, they are respectively called surface plasmon-polaritons and surface phonon-polaritons. The goal of this thesis is to revisit some theoretical aspects associated to these surface waves.Using the Green formalism, we derive an expression of the surface wave field as a sum of modes. With losses, these waves must have a complex wave vector or frequency. Thus we give two expressions of their field, for each of these cases, and discuss when each of these expressions should be used.We then give the basis of a surface wave Fourier optics and geometrical optics. We derive a 2D Helmholtz equation for surface waves, a Huygens-Fresnel principle for surface waves, and an eikonal equation for surface waves. We then take a look at Pendry’s superlens, in which surface waves play a major role. We study the behavior of the superlens in pulsed mode taking losses into account, and show that its resolution can be increased for some pulse shapes compared to the steady state, at the expense of a signal decay.We then develop a quantum treatment of surface waves. We first calculate their energy, and then give an expression of their hamiltonian and field operators. Without losses, we show that the Purcell factor given by our quantum theory is perfectly equal to the Purcell factor given by the classical theory. We then compare this Purcell factor to the lossy case on an example, and show that losses can often be neglected. We then derive the Einstein coefficients associated to surface wave emission and absorption, which allow studying the population inversion dynamics of a gain medium. We then use this quantum formalism to study the interaction between electrons and surface phonon-polaritons in quantum wells, particularly their interaction with a phonon mode which features high confinement thanks to an epsilon near zero (ENZ) effect.