Les métamatériaux électromagnétiques sont des composites artificiels, constitués de résonateurs etayant des propriétés optiques n’existant pas à l’état naturel. Cette thèse est consacrée à lafabrication et caractérisation de tels matériaux. Pour cela des particules métalliques coeur-écorce(d’or ou d’argent enrobées de silice) sont assemblées par la technique de Langmuir-Blodgett afin deformer des réseaux denses en monocouche et en multicouches. Ces nanoparticules jouent le rôle derésonateurs grâce à la présence de la résonance plasmon et l’écorce de silice permet de contrôler ladistance entre particules. Nous avons ainsi réalisé des matériaux dont la distance entre lesrésonateurs et la fraction métallique varient. Les analyses spectro-photométriques des films obtenus,notamment en réflexion normale, nous ont permis d’extraire les propriétés optiques de nosmatériaux. Pour cela nous avons proposé un modèle phénoménologique dans lequel nousdéfinissons la permittivité de la couche effective comme étant celle de la matrice à laquelle s’ajouteun oscillateur de Lorentz décrivant la présence d’une résonance plasmon. Nous avons pu ainsimontrer expérimentalement qu’il était possible d’obtenir des métamatériaux d’indice de réfractioninférieur à 1 quand la fraction de métal dans le matériau est suffisamment importante. / Electromagnetic metamaterials are artificial composites, containing resonators and exhiniting opticalproperties which do not exist in a natural state. This thesis is dedicated to the manufacturing and thecharacterization of such materials. Metallic core-shell particles (gold or silver core coated with a silicashell) are assembled by the Langmuir-Blodgett technique to form dense monolayer and multilayernetworks. These nanoparticles play the role of resonators thanks to the presence of the plasmonresonance of the core whereas the silica shell allows a fine control of the distance between themetallic particles. We realized materials whose distance between resonators and metallic fractionvary. The spectrophotometric analyses, in particular reflection at normal incidence, allowed us toextract the optical properties of the materials. We proposed a phenomenological model in which wedefine the permittivity of the effective layer as the permittivity of a homogenous matrix to which aLorentz oscillator is added to describe the presence of the plasmon resonance. We were able toshow experimentally metamaterials with refractive index lower than 1 can be obtained when thefraction of metal in the material is important enough.

Les plasmons de surface sont des modes non-radiatifs qui vivent à l'interface d'un diélectrique et d'un métal. Ils peuvent confiner la lumière à des échelles sub-longueur d'onde. Néanmoins, leur propagation reste limitée par les pertes inhérentes au métal qui entraînent une absorption rapide du mode. L'objet de cette thèse est l'étude du couplage des plasmons de surface dans des structures planes métallo-diélectriques. L'obtention des propriétés des différents modes nécessite le prolongement des solutions dans le plan complexe définissant la constante de propagation. La méthode mise en œuvre consiste à déterminer les pôles de la matrice de diffusion en utilisant les intégrales de Cauchy. Une première solution pour résoudre le problème de propagation des plasmons de surface consiste à coupler ces modes entre eux. Dans un milieu symétrique, lorsque l'épaisseur d'un film métallique devient suffisamment faible, le couplage entre les modes plasmons existants sur chaque surface devient possible. L'un des deux modes couplés ainsi créé, dit plasmon longue portée, a une longueur de propagation supérieure à celle du plasmon de surface usuel tandis que l'autre, dit plasmon à courte portée, se propage moins. Nous présentons une configuration permettant l'excitation du mode longue portée sans le mode courte portée grâce à une couche métallique déposée sur un substrat infiniment conducteur. Cette excitation peut alors être effectuée dans l'air et permettre des applications comme la détection et la caractérisation de molécules. Ensuite, nous présentons le couplage entre deux guides d'ondes diélectriques, et plus particulièrement la théorie des modes couplés, étendue au cas de la polarisation transverse magnétique. Nous considérons aussi le cas de la PT symétrie. La dernière partie de ce mémoire présente la démonstration du régime de couplage fort entre un plasmon de surface et un mode guidé. Nous mettons alors en évidence une augmentation de la longueur de propagation pour le mode hybride plasmon dont le confinement reste celui d'un mode de surface. Un gain linéaire est ensuite ajouté dans les différentes couches de la structure pour en étudier l'effet. L'ajout de gain dans la couche intermédiaire entre les deux modes couplés a pour conséquence l'exaltation de la longueur de propagation des modes et plus particulièrement du mode hybride plasmon qui peut alors se propager au-delà du millimètre. / Surface plasmon polaritons are non radiative modes which exist at the interface between a dielectric and a metal. They can confine light at sub-wavelength scales. However, their propagation is restricted by the intrinsic losses of the metal which imply a rapid absorption of the mode. The aim of this thesis is the study of the coupling of surface plasmons in metallo-dielectric planar structures. Obtaining the properties of the modes implies the extension of the solutions to the complex plane of propagation constants. The method used consists in determining the poles of the scattering matrix by means of Cauchy's integrals. The first solution to solve the problem of propagation of the surface plasmons consists in coupling these modes to one another. In a symmetric medium, when the thickness of the metallic film becomes thin enough, the coupling between the plasmon modes which exist on each side becomes possible. One of the coupled modes which is created, the so-called long range surface plasmon, has a bigger propagation length than the usual plasmon whereas the other coupled mode, named short range surface plasmon, has a smaller propagation length. We present a configuration which allows the excitation of the long range surface plasmon without the short range mode with a metallic layer deposited on a perfect electric conductor substrate. This excitation can be done in air and allows applications, such as the detection and the characterisation of molecules. Then, we present the coupling between dielectric waveguides, and, in particular, the coupled-mode theory in the case of the transverse magnetic polarisation. We consider also the case of PT symmetric structure. The last part of this work presents the demonstration of the strong coupling regime between a surface plasmon and a guided mode. We demonstrate an increase of the propagation length of the hybrid surface plasmon, which still has the confinement of a surface mode. A linear gain is added in the different layers of the structure. When the gain is added in the layer between both coupled modes allows an enhancement of the propagation lengths of the modes, and more precisely of the hybrid surface plasmon mode, which can propagate at the millimeter scale.

Les propriétés optique des nanoparticules ont ouvert de nouvelles voies dans de nombreux domaines, de l'optique fondamental avec la compréhension des interactions dans la matière, la biologie et la compréhension du fonctionnement des milieux cellulaires, en passant par la microscopie en champ proche, qui permet de sonder localement les propriétés physiques de divers nano-systèmes. Au cours de ce travail, nous avons réalisé l'étude de la génération de seconde harmonique (GSH) de nanoparticules de KTP ainsi que de dimères d'or isolés. Des mesures optiques du rayonnement émis par ces nano-objets montrent qu'ils sont parfaitement photostables. Par ailleurs, nous avons aussi étudié de nouvelles particules actives qui permettent d’obtenir un double signal, de luminescence ainsi que de GSH. Ces nanosources bimodales sont constituées des nanoparticules de KTP dopées avec des ions Europium. Dans une seconde partie, nous tentons de fabriquer des sondes optiques pour le champ proche en utilisant les nanocristaux non-linéaires de KTP, ceci dans le but de développer une nouvelle microscopie optique en champ proche capable de sonder localement et vectoriellement un champ électromagnétique. Une pointe de microscopie à force atomique est fonctionnalisée par une particule d'or, puis approchée d'un nanocristal de KTP. Des résultats préliminaires montrent qu'il est possible par cette méthode de sonder le champ électromagnétique présent autour d'une nanoparticule d'or. / The optical properties of nanoparticles have opened new avenues in many areas of optics with the fundamental understanding of the interactions in matter, biology and understanding of the functioning of cell media, through the near-field microscopy, which allows us to probe locally the physical properties of various nano-systems. In this work, the study of second harmonic generation (SHG) has been performed on isolated nanoparticles of KTP and dimers of gold. Optical measurements of radiation emitted by these particles show that nanoparticles are perfectly photostable.Furthermore, we also explored new active particles that deliver a double signal, luminescence and GSH. These nanosources bimodal nanoparticles consist of KTP doped with europium ions. In the second part, we try to manufacture optical probes for near field using nonlinear nanocrystals in this case the probe is KTP nanocrystals. A tip of atomic force microscopy is functionalized by a particle of gold, then approached a nanocrystal of KTP. Preliminary results showed that it was possible to probe the electromagnetic field present around a gold nanoparticle.

Dispositivos fotônicos têm estado continuamente no foco das pesquisas científicas, particularmente em aplicações para comunicações ópticas e sensoriamento. Por outro lado, as dimensões desses dispositivos são restringidas pelo limite de difração de Abbe. Esse limite tem se mostrado como o grande gargalo no desenvolvimento de novas tecnologias em microscopia óptica, litografia de projeção óptica, óptica integrada, e armazenamento óptico de dados, por limitar as dimensões e a capacidade de integração destes dispositivos. Felizmente, a \"plasmônica\" surgiu como um novo campo de estudo, possibilitando a superação dessa limitação por meio da propagação da luz em modos de plasmon-poláritons de superfície - SPP (Surface Plasmon Polariton). De maneira simplificada, SPPs são campos eletromagnéticos confinados em regiões menores que o comprimento de onda da luz. A geração de SPP ocorre por meio da excitação coletiva de elétrons na interface entre dois meios, metal-dielétrico, que se acoplam com a onda eletromagnética incidente. Pesquisadores logo perceberam que guias de onda baseados em SPP poderiam transportar a mesma banda de informação que um dispositivo fotônico convencional e serem tão localizados quanto dispositivos eletrônicos (elétrons têm maior capacidade de confinamento que fótons). Dessa maneira, alterando a estrutura da superfície de um metal, as propriedades dos SPPs - em particular sua interação com a luz - podem ser manipuladas, oferecendo potencial para o desenvolvimento de novos tipos de dispositivos fotônicos. Com isso, nanoestruturas capazes de guiar, dividir ou mesmo sintonizar a luz tornaram-se realidade. No presente trabalho, o fenômeno de geração de SPPs é estudado teoricamente e aplicado na modelagem de diversas estruturas de interesse científico e tecnológico, tais como filtros de cavidade ressonante e ressoadores em anel. O objetivo principal é a obtenção de estruturas capazes de filtrar ou sintonizar comprimentos de onda, minimizando as perdas ao máximo. Com isso, espera-se estender e explorar ainda mais o leque de possíveis aplicações. / Photonic devices have continuously been in the focus of scientific research, particularly for optical communications and sensing applications. On the other hand, the dimensions of these devices are well known to be limited by the Abbe\'s diffraction limit. This limit has been the major bottleneck in developing new technologies in optical microscopy, lithography projection optics, integrated optics, and optical data storage, as it limits the size and ability to integrate these devices. Fortunately, the field of \"Plasmonics\" has emerged and devices whose dimensions overcome the difraction limit have now become reality. This is possible with the propagation of light in the form of Surface Plasmon Polariton - SPP that, in a simplified way, is an electromagnetic field confined in regions smaller than the wavelength of light. SPP occurs via collective excitation of electrons at the interface between two media, metal-dielectric, as a result of the coupling with an incident electromagnetic wave. Researchers soon realized that waveguides based on SPP could carry the same band of information as that of a conventional photonic device and yet be as localized as electronic devices (electrons have a greater capacity for confinement than photons). Thus, changing the structure of the surface of a metal, the properties of SPPs - in particular its interaction with light - can be manipulated, offering potential for the development of new types of photonic devices. Thus, nanostructures capable of transferring, guiding, splitting, or even tuning the light have now become reality. In this work, the phenomenon of generation of SPPs is theoretically investigated and applied to various structures of scientific and technological interest, such as filters and cavity resonators. The main objective is to obtain structures that are able to filter or tune wavelengths, minimizing losses as much as possible. As a result, we expect to extend and explore even further the range of possible applications.

Made available in DSpace on 2017-07-21T19:25:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Vinicius Mariani.pdf: 12327357 bytes, checksum: 1e83d3e17afc9ea8500a2b6e3adf5a5f (MD5) Previous issue date: 2015-03-05 / The optical properties as well as thermal transport nanoparticles attract great attention due to the possibilities of applications and research in basic physics. Among the most studied systems are gold nanoparticles by presenting a plasmon resonance frequency in the visible wavelength. However, the manner in which generate heat when excited optically and how the surface plasmon can be used as a probe medium in which the particles are dispersed have been little explored. In this work we present an experimental study of the thermal lens effect of lyotropic liquid crystals doped with gold nanoparticles, under cw 532 nm optical excitation, and a study of how the surface plasmon resonance of colloidal gold can probe the local ordering of a anisotropic media. Spherical gold nanoparticles of approximately 12 nm were synthesized by the Turkevich’s method and the two lyotropic liquid crystals were prepared with a ternary mixture of sodium dodecyl sulfate (SDS) and potassium laurate (KL) with 1-decanol (1-DeOH ) and water. The lyotropic matrix with SDS induced the formation of nanoparticle aggregates, leading to a broad and a red shift of the plasmon resonance band. The nonlinear refraction index of thermal origin increases as a power law with respect to particle density, being possible to adress this behavior with the presence of nanopaticles clusters. In the case of liquid crystal composed of KL, we studied the reentrant isotropic - nematic calamitic - isotropic phase transitions, monitoring the plasmon resonance of the nanoparticles. For transitions at low temperatures, isotropic reentrant to nematic, the resonance band has a red-shift of 7 nm which can be assigned mainly with the increase of the dielectric constant due to a change in the shape anisotropy of the micelles. On the other hand, in the high temperature transition, the maximum absorption wavelength suffer a slight extra red-shift which may be due to a small change in the correlation length. / As propriedades ópticas, assim como as de transporte térmico em nanopartículas atraem grande atenção devido as possibilidades de aplicações e pesquisa em Física básica. Entre os sistemas mais estudados estão as nanopartículas de ouro por apresentar uma frequência de ressonância de plasmon no comprimento de onda do visível. No entanto a forma com que geram calor quando excitadas opticamente e como a superfície de plasmon pode ser utilizada como sonda do meio em que as partículas estão dispersas têm sido pouco exploradas. Neste trabalho apresentamos um estudo experimental do efeito de lente térmica de cristais líquidos liotrópicos dopados com nanopartículas de ouro, sobre a excitação óptica de 532 nm, e um estudo de como a ressonância de plasmon de superfície do ouro coloidal pode sondar o ordenamento local de um meio anisotrópico. Nanopartículas esféricas de ouro em torno de 12 nm foram sintetizadas pelo método de Turkevich e dois cristais líquidos liotrópicos foram preparados com uma mistura ternária de dodecil sulfato de sódio (SDS) ou laurato de potássio (KL) com 1-decanol (1-DeOH) e água. A matriz liotrópica com SDS induziu a formação de agregados de nanopartículas, levando a um alargamento e deslocamento da banda de ressonância de plasmon para o vermelho. O índice de refração não linear de origem térmica aumenta como uma lei de potência em relação à densidade de partículas, sendo possível relacionar seu comportamento com a presença de agregados. No caso do cristal líquido composto por KL, estudamos as transições de fase isotrópica reentrante - nemática calamítica e posteriormente para a fase isotrópica em alta temperatura, monitorando a ressonância de plasmon das nanopartículas. Para transições em baixas temperaturas, isotrópica reentrante para nemática, a banda de ressonância tem um deslocamento de 7 nm para o vermelho que pode ser associado principalmente com o aumento da constante dielétrica devido a uma alteração na anisotropia de forma das micelas. Por outro lado, para transição em alta temperatura, o comprimento de onda do máximo de absorção sofre um sutil deslocamento extra para o vermelho o qual pode ser devido à uma pequena mudança no comprimento de correlação.

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.

Récemment, la famille des dichalcogénures de métaux de transition (TMDs) (MoS2, WS2, MoSe2...) a suscité l'intérêt de nombreuses équipes de recherche en raison de leurs propriétés optiques, électroniques et spintroniques exceptionnelles. Ma thèse est centrée sur l'association de monocouches de TMDs à des nano-structures plasmoniques. Ces dernières apportent une exaltation des propriétés d'absorption, de diffusion et d'émission optiques qui peuvent être mises à profit dans divers domaines d'applications tels que l'opto-électronique, la photo-catalyse ou les capteurs. Dans une première partie je me suis intéressée à l'interaction plasmon-exciton dans des systèmes hybrides constitués de couches de MoSe2 élaborés par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et transférées sur les nanodisques d'or. La résonance plasmon est contrôlée par le diamètre et la séparation entre les nano-disques. Grâce à des mesures de transmission optique et de photoluminescence, et à une analyse détaillée des réponses spectrales basée sur un modèle analytique et des simulations numériques, j'ai mis en évidence un couplage de type Fano entre les plasmons de surface des nanodisques et les transitions excitoniques de MoSe2. J'ai étudié la dépendance de ce couplage en fonction de la taille des disques, du nombre de monocouches de MoSe2 déposées et aussi en fonction de la température. Une analyse quantitative des résultats a été menée en simulant numériquement non seulement le champ local plasmonique mais aussi son couplage avec le moment dipolaire des transitions excitoniques. Pour compléter l'exploration des propriétés optiques du système MoSe2@Au, je me suis intéressée à la diffusion Raman dans des conditions d'excitation résonante et non-résonante de la transition hybride plasmon-exciton. L'idée principale étant que la résonance plasmonique apporte une exaltation de la diffusion Raman par effet SERS (Surface Enhanced Raman Scattering) tandis que les transitions excitoniques contribuent par l'effet Raman résonnant. Cette combinaison des résonances plasmonique et excitonique conduit à un effet SERS résonant. J'ai ainsi pu distinguer les contributions relatives de ces deux résonances, notamment grâce à l'imagerie confocale de la diffusion Raman. J'ai également montré que, dans ces conditions d'excitation résonnante de la transition plasmon-exciton, un phénomène d'hyperthermie a lieu. la modélisation par simulation numérique du champ proche optique et de la diffusion Raman a été utile pour comprendre les principaux facteurs limitatifs de l'exaltation Raman. Ensuite, la couche de MoSe2 a été utilisée comme substrat de nanoparticules d'Au. Les mesures de photoluminescence ont révélé une extinction quasi-totale de l'émission de la photoluminescence. Afin d'expliquer ce phénomène, deux possibilités ont été discutés : (i) le passage de la structure de bande électronique de la couche de TMD d'un semiconducteur à gap direct à indirect à cause de la contrainte imposée par les nanoparticules d'Au (ii) le désordre structural dû au dépôt des nanoparticules d'Au (iii) le transfert des porteurs photo- générés du semiconducteur vers le métal. Grâce aux mesures Raman, et à l'émission radiative des nanoparticules d'Au, j'ai mis en évidence un phénomène de transfert de charges entre le semi conducteur et le métal. Pour compléter les interprétations proposées, j'ai mené une étude comparative avec les propriétés optiques de couche de TMD couvertes \nolinebreak de silice. Ce travail de thèse a été mené au sein du groupe NeO du CEMES et dans le cadre d'une collaboration avec le groupe du Professeur Jun Lou de l'université de Rice à Houston. / Transition metal dichalcogenide materials (TMDs) are increasingly gaining attention, due to their unique optical, spintronic, and electronic properties. These properties result from the ultimate confinement in 2D monolayers of a direct band-gap semiconductor and the lack of inversion symmetry in the crystallographic structure. To control and enhance the optical response of these materials, it is interesting to integrate them with plasmonic nano-resonators. The TMDs/plasmonic hybrid systems have been extensively studied for plasmon-enhanced optical signals, photocatalysis, photodetectors, and solar cells. In this context, this thesis deals with the interaction between TMD monolayers and gold nanostructures. In a first part, an hybrid system composed of CVD grown MoSe2 monolayers transferred on gold nanodisks was studied. Surface plasmon resonance was tuned by controlling the nanodisks size and the inter-disks separation. The optical properties of the nanostructures are probed by means of spatially resolved optical transmission and photoluminescence spectroscopies. Fano-type coupling regime between the surface plasmon of the gold nanodisks and the MoSe2 exciton was evidenced by a quantitative analysis of the optical extinction spectra based on an analytical model. Our interpretations were supported by numerical simulations. The number of MoSe2 monolayer dependence as well as the Temperature dependence of the plasmon-exciton interaction was investigated. Our results were quantatively analysed on the nanometric scale by studying the local electromagnetic near-field and the excitonic transition dipole momentum interaction. Furthermore, the Raman scattering of MoSe2@Au system was carried out. A particular situation was investigated where a resonant interaction between the surface plasmon of nanodisks and A exciton of v occur. The contribution of these two resonances leads to a resonant surface enhanced Raman scattering (SERRS) effect. The Raman Scattering excitation is selected to resonantly excite the Surface Plasmon resonance and MoSe2 excitonic transition simultaneously. The relative contribution of the surface Plasmon and the confined exciton to the resonant Raman scattering signal is pointed out. In this resonant condition, a hyperthermia effect was detected. Numerical simulations of the SERS gain were useful to figure out the main factors affecting the SERS intensity enhancement in MoSe2@Au. In a second part, the TMD monolayer was used as a substrate of Au nanoparticles. Au nanoislands were deposited on mono- and few-layered MoSe2 flakes. Photoluminescence (PL) measurements revealed a net quenching of the MoSe2 photoluminescence. To figure out the origin of this quenching three possibilities were discussed (i) the charge transfer between the TMD monolayer and the Au particles (ii) the direct to indirect gap transition of the TMD electronic band structure caused by the strain induced by the metal deposition (iii) structural disorder imparted by the nanoparticles in the TMD/metal interface. Owing to the Raman scattering measurements and using the radiative emission of the gold nanoparticles, we evidenced a charge transfetrt between the metallic nanostructures and the semiconductor. In order to complement our interpretations a comparative study with respect to optical properties of TMD covered by a silica film was carried out. The present work was held within the NeO group in CEMES, in a frame of a collaboration with the group of thr Pr. Jun Lou from Rice university, Houston.

Ces travaux de thèse portent sur les phénomènes d’amplification du signal de diffusion Raman par effet de surface et par effet de pointe. Des réseaux de motifs métalliques de taille nanométrique arrangés spatialement ont été fabriqués par la méthode de transfert Langmuir-Blodgett et par lithographie à faisceau d’électrons. De telles structures de géométries contrôlées déposées à la surface de lamelles de microscope ont été développées afin d’amplifier le signal Raman de molécules adsorbées par effet SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy). Ces nanostructures triangulaires en or de taille proche de la longueur d’onde ont des bandes de résonance plasmon dans le domaine spectral visible. En utilisant une source de laser appropriée dans ce domaine spectral, les facteurs d’amplification Raman d’une couche mono-moléculaire d’un dérivé azobenzène sont de plusieurs ordres de grandeur, et ce pour les deux techniques de nano-lithographie employées. Afin de compléter ces premiers résultats, des réseaux de fils d’or avec de grands facteurs de forme ont été fabriqués. Ces derniers montrent des résonances plasmons multipolaires et des facteurs d’amplification de l’ordre de 105. Les techniques de microscopie en champ proche ont également été développées afin de localiser précisément l’exaltation Raman et d’accroitre la résolution spatiale de mesures Raman. Des pointes métalliques en or de taille nanométrique ont ainsi permis d’amplifier localement le signal de diffusion de molécules placées à leur proximité par effet TERS (Tip Enhanced Raman Spectroscopy). Les développements logiciels et mécaniques entre un microscope confocal Raman et un microscope à force atomique ont été implémentés afin de contrôler simultanément les deux instruments. Ce montage expérimental a été appliqué à l’étude de nanofils semi-conducteurs de nitrure de gallium permettant de suivre leur signal vibrationnel avec une résolution spatiale inférieure à 200 nm. / This thesis work focuses on Raman scattering enhancements by metallic nanostructures. In the first part of this work, arrays of metallic patterns with nanometer dimensions were fabricated by the Langmuir-Blodgett deposition technique and electron-beam lithography. Such structures made of gold were fabricated onto microscope slides with the goal to enhance the Raman signal through SERS effect (Surface Enhanced Raman Spectroscopy). These patterns formed by an assembly of triangular nanostructures with sizes of hundreds of nanometers, exhibit plasmon resonance bands in the visible spectral region. By using an appropriate excitation laser source with respect to the plasmon frequency, Raman enhancement factors of a monolayer were found to be of several order of magnitude for both Langmuir-Blodgett and electron-beam lithography platforms. To further complement these results, gold wires arrays with large aspect ratio made by electron-beam lithography showed multipolar plasmon resonances with enhancement factors up to 105. In the second part of this thesis, near-field Raman microscopy has been developed with the aim to localize precisely the Raman enhancement and improve spatial resolution of Raman measurements. Atomic force microscopy gold tips have been used to locally enhance scattering signal of molecules in close proximity to the tip opening new opportunities. This approach known as TERS (Tip Enhanced Raman Spectroscopy) is of significant interest to probe nanomaterials, nanostructures or monolayers. Software and mechanical developments have been made between a confocal Raman microscope and an atomic force microscope to control simultaneously both instruments. This experimental setup was used to characterize gallium nitride semi-conductors nanowires with spatial resolution better than 200 nm.

Les nanoparticules à base d’acide hyaluronique (AH) sont utilisées pour de nombreuses applications pharmaceutiques. Elles peuvent cibler les tumeurs par interaction avec le CD44,qui est un récepteur biologique surexprimé à la surface de certaines cellules cancéreuses. Dans ce projet nous explorons l’application potentielle de ces nanoparticules dans les domaines cosmétiques, car l’AH est aussi un ingrédient important pour l’hydratation et le renouvellement de la peau. Les copolymères à bloc à base de polypeptides et de polysaccharides ont été synthétisés par une combinaison de polymérisation par ouverture de cycle et de couplage par chimie « click ». Les nanoparticules ont été obtenues par l’auto assemblage de ces copolymères en utilisant un procédé de nano precipitation, dont la taille et la morphologie sont contrôlées par les paramètres expérimentaux. L’interaction entre les nanoparticules d’AH et le CD44 a été quantifiée par la résonance de plasmon de surface(RPS). En comparant avec l’AH libre en solution, les nanoparticules d’AH ont montré une interaction plus efficace avec le CD44, mettant ainsi en évidence un effet de multivalence des nanoparticules. Finalement, la dégradation enzymatique de ces nanoparticules d’AH a été évaluée avec deux types de hyaluronidases, HYAL1 et SPAM-1. La digestion des nanoparticules de l’AH a été significativement ralentie par rapport à l’AH libre. De manière très surprenante, ces nanoparticules de AH ont pu inhiber l’activité de l’enzyme HYAL1 et protéger l’AH libre dans la solution. Enfin, des ligands du récepteur TLR2 de type lipopeptide ont été synthétisés et leurs performances via TLR2 ont été évaluées par RPS. / Nanoparticles based on hyaluronic acid (HA) are widely used in pharmaceutics. They can target the tumor by the interaction with CD44, a biological receptor overexpressed in some cancer cells. In this project, we investigate the potential applications of these nanoparticles in cosmetics, since HA is also an important ingredient for the skin hydration and renewing. Block copolymers based on polypeptides and polysaccharides were synthesized using a combination of ring opening polymerization and “click chemistry”. The nanoparticles were formed by the self-assembly of these block copolymers using a nanoprecipitation process, and their size and morphology were controlled by the experimental conditions. The interaction between nanoparticles and CD44 were measured by surface plasmon resonance(SPR). Compared to free hyaluronic acid chains in solution, the HA-based nanoparticles could interact more efficiently with CD44, thus demonstrating a multivalent effect. The enzymatic degradation of these HA nanoparticles was then evaluated with twohyaluronidases: HYAL1 and SPAM-1. The digestion of the HA nanoparticles was significantly slower than that of free hyaluronic acid. Surprisingly, these HA nanoparticles could even inhibit the activity of the enzyme HYAL1 and protect free HA chains in the solution. Finally, lipopeptide-based ligands of the biological receptor TLR2 were also synthesized and their performances were evaluated by SPR.

Les métamatériaux sont des matériaux artificiels présentant des propriétés que l’on neretrouve pas dans les matériaux naturels. Il s’agit en général de matériaux compositesconstitués de résonateurs dont la réponse intense permet l’obtention de propriétés uniques.Cette thèse est consacrée à la fabrication et à l’étude de métamatériaux électromagnétiquespour une utilisation dans la gamme de fréquences du spectre visible. Nos matériaux sont desassemblages denses de nanoparticules coeur écorce. Le coeur métallique d’or présente unerésonance plasmon dans le visible et l’écorce de silice permet de contrôler les couplagesinterparticulaires. Les matériaux sont réalisés par une méthode dérivée de la technique deLangmuir-Blodgett et par microévaporation. Les propriétés optiques des matériaux sontétudiées par ellipsométrie spectroscopique. Nous avons mis en évidence la présence d’uncouplage fort avec le substrat de silicium permettant l’obtention d’indice réfraction n < 0,5dans le cas du système le plus fortement couplé. Nous avons décrit un phénomèned’extinction topologique pouvant être mis à profit pour la fabrication de capteurs ultrasensibles.Nous avons également synthétisé des nanoparticules présentant un coeur de silicechargé de molécules fluorescentes encapsulé d’une écorce d’or dont l’étude a permis unemeilleure compréhension du phénomène de compensation de perte. / Metamaterials are artificial materials exhibiting novel properties that are not found in naturalmaterials. Metamaterials are usually composite materials which contain artificial resonatorswhose intense response generates unique properties. This thesis is dedicated to the fabricationand characterization of electromagnetic metamaterials which are designed to be used atoptical frequency. Our materials are dense assemblies of core-shell nanoparticles. Corenanoparticles exhibit a plasmon resonance in the visible and the silica shell is used to controlthe interparticle coupling. The materials are made by a method derived from the Langmuir-Blodgett technique and by microevaporation. The optical properties of the materials werestudied by spectroscopic ellipsometry. We have demonstrated the presence of a strongcoupling with the silicon substrate which allows for a refractive index value of n <0.5, in thecase of the most coupled system. We have also described a topological extinctionphenomenon that can be exploited for the production of ultra-sensitive sensors. Finally, wesynthesized silica nanoparticles containing fluorescent molecules that are encapsulated with agold shell whose study has allowed for a better understanding of loss compensationphenomenon.