Optical microcavities exhibit high resonance quality, so that, they are of key interest for the design of low-threshold lasers or for achieving strong coupling regime. But, such systems support modes whose the volume remain diffraction limited.In this manuscript, we are interested in their plasmonic counterparts because they support confined modes at the sub-wavelength scale. First, we study an in-plane plasmonic cavity which is the transposition of 1D optical cavity to surface wave. We characterize the cavity by measuring the fluorescence lifetime of dye molecules deposited inside.Then, we are interested in 3-dimension mode confinement achieved by spherical metal nanoparticles. We discuss on the definition of the mode volume used in cavity quantum electrodynamic and based on the calculation of energy confinement around the particle. We also simulate the fluorescence enhancement of rare-earth ions embedded inside core-shell plasmonic particles. Finally, we disturb the photodynamic emission of a single-photon source by puttingthe extremity of a plasmonic tip nearby the emitter

Die Nanooptik beschäftigt sich mit der Wechselwirkung von Licht mit Materie, deren charakteristische Dimension im Nanometer Bereich liegt. Insbesondere wenn die Materie aus Metall besteht, zeigen sich interessante, wellenlängenabhängige Unterschiede in der Stärke der Wechselwirkung. Die Ursache dafür sind die kollektiven Moden der quasifreien Ladungsträger, die Plasmonen. Obgleich sich experimentelle Methoden in den letzten Jahren stetig verbessert haben, ist es nach wie vor nur mit erheblichem Aufwand möglich, sich Einblicke in die mikroskopischen Zusammenhänge zu verschaffen. Eine Ergänzung zu den Experimenten bieten theoretische Modelle. Auf Grund der sich mit der Zeit stetig verbesserten Leistung der Rechentechnik, kommen dabei zunehmend numerische Verfahren zum Einsatz. Eines dieser Verfahren ist das Unstetige Galerkin Verfahren, welches in dieser Arbeit auf folgende Fragestellungen der plasmonischen Nanooptik angewandt wurde: • Bei dem unstetigen Galerkin Verfahren werden die zu simulierenden Körper üblicherweise mittels Dreiecke und Tetraeder approximiert. Da die Geometrie der metallischen Systeme einen entscheidenden Einfluss auf die Wechselwirkung hat, wurde untersucht, inwieweit sich durch Einsatz von Elementen mit gekrümmten Flächen die Genauigkeit oder die Geschwindigkeit der Simulation steigern lässt. Es konnte gezeigt werden, dass runde Elemente die Genauigkeit bei gleicher Diskretisierung um bis zu zwei Größenordnungen steigern oder die Rechenzeit bei gleicher Genauigkeit auf ein Sechstel verkürzen können. • Bestrahlt man Metallnanopartikel mit intensiven Laserpulsen, so strahlen diese nicht nur bei der Frequenz des eingestrahlten Lichtes, sondern auch bei der doppelten Frequenz ab. Dieses Phänomen der Frequenzverdopplung (SHG, engl.: „Second-Harmonic-Generation“) ist unter anderem von der Form der Partikel und der Wellenlänge des Pulses abhängig. Da durchstimmbare gepulste Laser sehr teuer sind, wurde untersucht, ob sich mit Hilfe der linearen Partikelspektren Vorhersagen über die Stärke der Frequenzverdopplung machen lassen. Dabei wurde festgestellt, dass die Effizienz der Frequenzverdopplung zunimmt, wenn man die linearen Resonanzen der Partikel auf die SHG- oder Anregungswellenlänge abstimmt. Schafft man es, das plasmonische System so einzustellen, dass sowohl die Anregungswellenlänge, wie auch die SHG- Wellenlänge auf einer linearen Resonanz liegen, so kann die Effizienz der SHG weiter gesteigert werden. / Nanooptics is a discipline dealing with the interaction of light with matter where its characteristic dimensions are defined to be in the range of nanometers. In particular, if the matter consists of metal, i.e. conductive material, interesting wavelength dependent phenomena can be observed, which scale with the strength of the interaction. These phenomena are caused by the formation of collective modes between quasi-free charge carriers resulting in so called plasmons. Although improved experimental methods have evolved over the last few years, insight into the microscopic relationship between light and matter is only achievable with high effort. Supplemental information to experimental findings can be drawn from theoretical models. Due to the constantly improving computational power, numerical methods are progressively more employed. One of these methods is the discontinuous Galerkin method, which was applied to the following problems in plasmonic nanooptics: • Within the discontinuous Galerkin method the simulated objects are usually approximated by triangles or tetrahedrons. Since the geometry of conductive systems has a major impact on the interaction between light and matter, the usability of elements with curved surfaces for the discretisation of the space has been investigated with respect to accuracy and speed of the simulation. In this work, it could be shown that curved elements improve the simulations precision up to two orders of magnitude with the same amount of discretisation compared to linear elements. Related to speed, it has been found that the computational time is reduced by a factor of 6 with a comparable simulation accuracy. • By irradiating metallic nanoparticles with high power laser pulses these particles do not only emit light of the same frequency as the incident electromagnetic wave, but also with the doubled frequency (SHG, second harmonic generation). Among other things, this phenomenon of frequency doubling mainly depends on the geometry of the particle and the wavelength of the pulse. Since tunable pulsed laser sources are very expensive, it has been theoretically investigated if the strength of the frequency doubling can be deduced from the particles linear spectra. By this, it has been discovered that the efficiency of frequency doubling can be improved by adjusting the linear resonances of the particle to the SHG or excitation wavelength. The SHG efficiency can be increased even further, if the plasmonic system is tuned to a point where both the excitation and the SHG wavelength correspond to a linear resonance of the nanoparticle.

abstract: Obtaining local electrochemical (EC) information is extremely important for understanding basic surface reactions, and for many applications. Scanning electrochemical microscopy (SECM) can obtain local EC information by scanning a microelectrode across the surface. Although powerful, SECM is slow, the scanning microelectrode may perturb reaction and the measured signal decreases with the size of microelectrode. This thesis demonstrates a new imaging technique based on a principle that is completely different from the conventional EC detection technologies. The technique, referred to as plasmonic-based electrochemical imaging (PECI), images local EC current (both faradaic and non-faradaic) without using a scanning microelectrode. Because PECI response is an optical signal originated from surface plasmon resonance (SPR), PECI is fast and non-invasive and its signal is proportional to incident light intensity, thus does not decrease with the area of interest. A complete theory is developed in this thesis work to describe the relationship between EC current and PECI signal. EC current imaging at various fixed potentials and local cyclic voltammetry methods are developed and demonstrated with real samples. Fast imaging rate (up to 100,000 frames per second) with 0.2×3µm spatial resolution and 0.3 pA detection limit have been achieved. Several PECI applications have been developed to demonstrate the unique strengths of the new imaging technology. For example, trace particles in fingerprint is detected by PECI, a capability that cannot be achieved with the conventional EC technologies. Another example is PECI imaging of EC reaction and interfacial impedance of graphene of different thicknesses. In addition, local square wave voltammetry capability is demonstrated and applied to study local catalytic current of platinum nanoparticle microarray. This thesis also describes a related but different research project that develops a new method to measure surface charge densities of SPR sensor chips, and micro- and nano-particles. A third project of this thesis is to develop a method to expand the conventional SPR detection and imaging technology by including a waveguide mode. This innovation creates a sensitive detection of bulk index of refraction, which overcomes the limitation that the conventional SPR can probe only changes near the sensor surface within ~200 nm. / Dissertation/Thesis / Video for Figure 3.2 C to H / Video for Figure 3.5 / Video for Figure 5.5 / Video for Figure 6.7 / Video for Figure 6.11 / Ph.D. Electrical Engineering 2011

Les réponses optiques d'agrégats de métaux nobles sont caractérisées par une absorption intense, situées dans le domaine UV-Visible, et appelée plasmon de surface localisé. Pour des particules de plusieurs nanomètres de diamètre, le phénomène de plasmon peut être interprété par des modèles semi-classiques ou classiques comme la théorie de Mie, mais ces modèles trouvent leur limite lorsque la taille du système diminue. La théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps (TDDFT) est une approche entièrement quantique qui permet d'appréhender le phénomène de plasmon en reproduisant la réponse optique de petits agrégats d'argent, composés de quelques atomes à quelques centaines d'atomes. Dans ce contexte, nous avons réalisé des calculs TDDFT avec une fonctionnelle de type Range-Separated-Hybrid (RSH) sur des agrégats contenant entre 8 et 147 atomes d'argent. Les spectres obtenus sont en excellent accord avec les données expérimentales et les réponses optiques calculées perme ttent de retrouver les prédictions du modèle en couches. Nous présentons des outils permettant d'identifier et de caractériser les excitations plasmoniques dans le formalisme de la TDDFT. Les effets de l'environnement sur la réponse optique des agrégats sont également étudiés, avec notamment la présentation d'une méthodologie permettant de reproduire les spectres mesurés sur des agrégats d'argent piégés dans des matrices de gaz rare. Les effets de l'oxydation et les effets induits par une matrice de silice sur la réponse optique des agrégats sont également étudiés / Optical responses of noble metal clusters are characterized by a strong absorption in the UV-Visible range called localized surface plasmon. For clusters of several nanometers, the plasmon phenomenon can be interpreted by semi-classical or classical model, as the Mie theory, but those models can not describe the optical response of small-size clusters. The time dependent density functional theory (TDDFT) is a quantum method that allow to understand the plasmon phenomenon by reproducing the optical response of small silver cluster, made of a few tens or hundreds atoms. In this context, we performed TDDFT calculation using Range-Separated Hybrid (RSH) functionals over cluster containing between 8 and 147 silver atoms. The obtained spectra are in excellent agreement with the experimental ones and the calculated optical response allows to recover the shell model prediction. We present some tools that allow to identify and characterize plasmonic excitations within the TDDFT framework. The effect of the surrounding medium over the optical response of clusters are studied, in particular we will present a methodology that allow to reproduce spectra measured over clusters trapped in rare gas matrix. The effects of the oxidation and the effects induced by a silica matrix over the optical response of clusters are also studied

Abstract Recent advances in materials synthesis resulted in a rediscovery of the low cost copper in its one and two-dimensional forms and project newer applications of this metal in fields not considered before. In this thesis, one-dimensional copper, i.e. nanowires are synthesized by a hydrothermal route and explored for their chemical, electrical, catalytic and plasmonic properties with highlighted advantages, benefited from their size and shape compared to thin film and bulk copper. Characterization of copper nanowires and their native oxides were performed using a number of analytical techniques such as X-ray photoelectron and Auger spectroscopy, Raman spectroscopy, X-ray diffraction as well as scanning probe and electron microscopy techniques to elucidate the oxidation mechanism and to assess the feasibility of the oxidized materials for various applications. A few atomic layers of cuprous oxide seem to form on the surface of the nanowires instantly, maybe already during synthesis, which then slowly grows further when exposing the nanowires to ambient air leading to the appearance of cupric oxide as well. Because of the surface oxides, individual nanowires and their bundled networks exhibit semiconducting behavior, which complicates the direct use of such materials for interconnections in electronics. However, even with the presence of native oxides, copper nanowires hold promise in many other applications such as the ones explored here for plasmonics and heterogeneous catalysis. As demonstrated in this work, surface plasmon absorption properties of the nanowires can be exploited for chemical sensing of surface adsorbed molecules (model compound Rhodamine 6G) by efficiently amplifying its Raman spectrum without using any lithographically defined sensor template. Further, it is shown that phenol contamination in water may be efficiently eliminated by converting it to nontoxic polyphenol as well as to CO2 owing to the highly efficient catalytic property of the mixed oxide phases on the surface of the nanowires. The results published in this thesis contribute to the understanding of the chemical and physical behavior of copper nanowires and other low dimensional copper nanostructures that undergo rapid surface oxidation. / Tiivistelmä Jatkuva elektronisten laitteiden ja anturien pienentäminen on hyvin linjassa teknologian kehittymisen kanssa. Pyrkimys monitoimisiin ja tehokkaisiin materiaaleihin on muuttanut tavanomaisten materiaalien käsitystä. Viimeisimmät edistysaskeleet materiaalisynteesissä ovat johtaneet edullisen kuparin uudelleenlöytämiseen sen yksi- ja kaksidimensionaalisissa muodoissa ennustaen metallille uusia sovellutuksia alueilla, joissa sitä ei ole aiemmin hyödynnetty. Tässä väitöstyössä on tutkittu hydrotermisesti syntetisoitujen yksiulotteisten kuparinanojohtimien kemiallisia, sähköisiä, katalyyttisiä ja plasmonisia ominaisuuksia sekä näiden pieneen kokoon ja muotoon perustuvia etuoja ohutkalvo- ja bulkkikupariin verrattuna. Kuparinanojohtimia ja niiden luonnollisia oksideja karakterisoitiin useilla analyysitekniikoilla kuten röntgenelektroni- ja Auger-eletronispektroskopialla, Raman-spektroskopialla, röntgendiffraktiolla sekä pyyhkäisykärki- ja elektronimikroskopialla selvittäen hapettumismekanismeja ja oksidien soveltuvuutta eri käyttötarkoituksiin. Muutaman atomikerroksen paksuinen kupari(I)oksidikerros havaittiin muodostuvan välittömästi, luultavasti jo materiaalisynteesin aikana nanojohtimien pinnalle. Nanojohtimien altistuessa ympäröivälle ilmalle oksidikerros kehittyi hitaasti johtaen kupari(II)oksidin muodostumiseen. Pintaoksidien johdosta yksittäiset nanojohtimet ja niistä yhteenkasautuneet verkostot käyttäytyvät puolijohdemaisesti mikä monimutkaistaa näiden materiaalien käyttöä sellaisenaan elektroniikan johtimissa. Luonnollisista oksideista huolimatta kuparinanojohtimet ovat lupaavia monissa muissa sovelluksissa, kuten tässä työssä tutkituissa plasmonisessa ja heterogeenisessä katalyysissä. Väitöstyössä osoitetaan, että nanojohtimen pintaplasmonisia absorptio-ominaisuuksia voidaan hyödyntää pintaan absorboituneiden molekyylien kemiallisessa havainnoinnissa (mallinnettu yhdiste rodamiini 6G) vahvistamalla Raman–spektriä käyttämättä lainkaan litografiapohjaista anturisapluunaa. Myöskin vesien fenolikontaminaatio voidaan tehokkaasti muuntaa myrkyttömiksi polyfenoleiksi ja hiiidioksidiksi hyödyntämällä nanojohtimien pinnalla olevia oksideja tehokkaana katalyyttinä (jopa parempi kuin kaupallisten kupariin pohjautuvat katalyytit). Tässä väitöstyössä julkaistut tulokset edistävät kuparinanojohtimien sekä muiden pienikokoisten ja nopeasti hapettuvien kuparinanorakenteiden kemiallisen ja fyysisen käytöksen ymmärtämistä. Tieteellisten kehitysaskeleiden lisäksi tämä väitöstyö voi myös toimia lähteenä pienirakenteisten yleisten metallien sovelluksille.

Le travail présenté dans cette thèse comporte différents attrayant sujetsde l'optique comme les métamatériaux, l’optique transformationnelle, lescristaux photoniques, la réfraction négative et les interactions thermoplasmoniques.Nous avons développé plusieurs métamatériaux pour les plasmons desurface basés sur l'optique de transformation. Tout d'abord, nous avonsdémontré théoriquement, numériquement et expérimentalement certainsdispositifs mettant en scène le phénomène d’invisibilité.Deuxièmement, nous avons démontré la réfraction négative des plasmonsde surface en utilisant le concept d'espace de pliage (space folding) pourdes lentilles plates et anisotropes et enfin avec seulement desmétamatériaux diélectriques. Additionnellement, nous avons démontréqu’un damier structuré de films d'or peut exhiber une transmission extraordinairesur toute la gamme de fréquences visible.Enfin, nous avons étudié un problème multiphysique en mixant l'optiqueet thermique et leurs effets induits. Nous avons pu montrer que joueravec l'amplitude d'une onde électromagnétique ou une impulsion, peutinduire un gradient de température et le contrôle parfait d’un tel dispositifthermo-plasmonique. / The work which has been presented in this thesis includes differentappealing subjects of optics such as metamaterials, transformationaloptics, photonic crystals, negative refraction and thermo-plasmonicinteractions. In this manuscript we have developed several metamaterialsfor Surface Plasmon Polaritons based on the transformational optics.Firstly we have demonstrated theoretically, numerically andexperimentally some SPP cloaking devices. Secondly, we havedemonstrated SPP negative refraction using the concept of space foldingthen with some dielectric metamaterial, flat and anisotropic SPP lenses.Additionaly we have demonstrated that subwavelength checkerboardstructured thick gold films have demonstrated an extra-ordinarytransmission over the visble range of frequencies.Finally, we have investigated a general multiphysics problem to mix opticsand thermally induced effects. We have been able to show that playingwith the amplitude of an electromagnetic wave or a pulse, we can inducea gradient of temperature and control heat of a plasmonic device.

La réponse optique de nanostructures métalliques est caractérisée par une amplification locale du champ électromagnétique appelée Résonance Plasmon de Surface (RPS) reliée à leur nature et leur morphologie. Pour étudier la réponse optique d’une nanoparticule unique, un dispositif ultra-sensible de spectroscopie à modulation spatiale utilisant une source de lumière blanche a été développé : il permet de mesurer la section efficace d’extinction absolue de nano-objets uniques sur un large domaine spectral (300-900 nm). Des images de microscopie électronique à transmission peuvent être obtenues indépendamment sur les mêmes objets. On a ainsi une corrélation directe entre la morphologie des nanoparticules et leur signature optique. Ce travail de thèse a permis d’une part de mettre en évidence les paramètres qui entrent en jeu dans le processus de vieillissement de nanoparticules uniques d’argent sous éclairement. En particulier, l’étude de nanocubes d’argent révèle une « sphérisation » et une photo-oxydation au cours du temps due à la partie UV du spectre. D’autre part, des mesures réalisées sur des doublets de nanocubes d’argent en interaction ont montré l’importance de la morphologie à l’interface entre les deux nanoparticules sur le couplage plasmonique. Pour une excitation lumineuse longitudinale, on observe, outre le décalage de la RPS vers les basses énergies lorsque la distance interparticule diminue, un dédoublement de cette bande de résonance. Des calculs théoriques réalisés avec la méthode DDA ont permis de corréler ce phénomène de dédoublement à des variations de courbure de surface dans la zone interparticule liées principalement au rognage des arêtes des cubes / The optical properties of noble metal nanoparticles are known to be dominated by the localized surface plasmon resonance (SPR) which is highly sensitive to the size of the particles, their shape, their environment, and eventually their chemical composition in the case of mixed systems. In order to study the optical response of a single supported metallic nanoparticle, a high sensitive spectroscopic setup using a white lamp (300-900 nm) has been developed in a transmission measurement configuration. This technique, the Spatial Modulation Spectroscopy, aims to detect the overall extinction of light by a nanoparticle. Moreover, the coupling of this technique with the direct observation of the particles by Transmission Electron Microscopy allows to get an unambiguous description of their optical response in relation with their exact morphology. In this work, the optical response of single silver nano-objects has been correlated with their morphology and their structure at a sub-nanometer scale. Time evolution of the optical response of single silver nanocubes under illumination was first investigated. We observed a “spherization” and a photo-oxidation due to the UV part of the light. Moreover, we studied pairs of cubic silver nanoantennas that showed a huge sensitivity of their optical response with the interparticle distance and their morphology. Indeed, the SPR is red-shifted with decreasing interparticle distance. One can also observe a striking splitting of the resonance for very low interparticle distances. Preliminary DDA calculations seem to show that the radius of curvature at the corners and edges of both cubes plays a key role in the splitting of the resonance

Ce travail de thèse a porté sur l’étude de la génération de second harmonique par lesnanoparticules métalliques. La présence de résonances de plasmon de surface localisées dans lesnanoparticules métalliques accroit la section efficace non linéaire et le but de ce travail a été decomprendre comment ce couplage peut être mis à profit. D’un point de vue fondamental, lacomparaison entre expérience et théorie a permis de mettre en évidence le mode d’émissionoctupolaire ainsi que de pondérer les contributions de surface et de volume au signal total émis.Il a également été démontré que des profils de Fano non linéaire pouvaient être observés dans lecas de nano-objets très simples. Des applications pratiques, telle que les capteurs plasmoniques,ont été abordées montrant que les propriétés intrinsèques de la génération de second harmoniqueoffrent plusieurs avantages et augmentent la sensibilité de tels capteurs. Des mesuresexpérimentales ont également été effectuées sur des nanoparticules d’or uniques enfermées dansune matrice homogène, ouvrant la voie pour une compréhension plus fine de l’impact de lamorphologie des nanoparticules sur leur réponse non linéaire. / This work is devoted to the study of the second harmonic scattering from spherical metallicnanoparticles. The optical properties of noble metal nanoparticles are known to be dominated bythe localized surface plasmon resonances which increase the second harmonic intensity. From afundamental point of view, the octupolar emission mode is revealed for the first time bycomparison between experiments and theory. The origin of the second harmonic generation(SHG) in metallic nanoparticles is discussed showing that bulk contributions are needed. It wasshown that Fano profiles can be observed in a very simple configuration. Practical applicationsare also addressed demonstrating that the properties of SHG increase the plasmonic sensorperformances. The second harmonic generation form single gold nanoparticles embedded in ahomogeneous medium is also reported for the first time paving the way toward a betterunderstanding of the morphology impact on the nonlinear response of metallic nanoparticles.

Aujourd'hui, la préoccupation croissante pour l'analyse environnementale et le contrôle de la qualité des aliments, ainsi que les besoins médicaux tels que le diagnostic rapide en cas de situations d'urgence, entraîne un besoin croissant de nouvelles générations de capteurs chimiques et biologiques. Ces dispositifs doivent avoir une haute sensibilité et fiabilité, ils doivent permettre une détection spécifique de molécules et une détection parallèle de différentes molécules, tout en étant bas coût, portables, rapides et faciles à utiliser. Ainsi, une tendance générale se porte sur les capteurs biochimiques intégrés sur puce, sans marqueur, et compatibles avec les procédés standard des micro-technologies. Les dispositifs diélectriques photoniques à base de silicium poreux et les nanostructures métalliques à résonances plasmoniques sont de bons candidats pour répondre aux exigences ci-dessus. Le silicium poreux est un matériau biocompatible, avec une énorme surface spécifique entrainant un gain de la sensibilité de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux matériaux massifs ; en outre, son indice de réfraction et son épaisseur peuvent être facilement ajustés, permettant la réalisation d'une grande variété de dispositifs photoniques. Les nanostructures métalliques offrent un fort confinement et une forte amplification du champ électromagnétique dans des régions sub-longueur d'onde, ce qui conduit à des sensibilités élevées ; combinées avec d’autres mécanismes de détection comme la fluorescence, le Raman ou la spectroscopie IR, elles ont déjà démontré un gain important du potentiel pour la détection. La réalisation d'un dispositif hybride combinant ces deux éléments est très intéressant, car il peut offrir les avantages des deux éléments ; la structure photonique pourrait aussi façonner la résonance plasmonique pour le développement de dispositifs ultrasensibles à largeur de raie de résonance étroite tout en ayant une profondeur de détection accrue. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'explorer les défis de cette solution en considérant la conception, la réalisation, la caractérisation et le potentiel de dispositifs hybrides photoniques/plasmoniques qui exploitent le couplage entre la résonance plasmonique de surface localisée d'un réseau d'antennes papillon et les modes photoniques d'un interféromètre en silicium poreux. / Nowadays, the increasing concern for environmental analysis and food quality control, as well as medical needs such as fast diagnosis in case of emergency events, leads to a growing need for new generations of chemical and biological sensors. These devices should have high sensitivity and reliability, perform specific detection of molecules and enable multiple parallel sensing, while being cheap, portable, fast and easy to use. Thus, a general trend tends towards bio-chemical sensors which are on-chip integrated, label-free, and compatible with standard micro-technologies. Photonic dielectric devices based on porous silicon and metallic nanostructures based on plasmon resonances are good candidates to fulfill the above requirements. Porous silicon is a biocompatible material, with a huge specific surface providing a sensitivity enhancement by several orders of magnitude compared to bulk materials; furthermore, its refractive index and thickness can be easily tuned, enabling for the realization of a large variety of photonic designs. Metallic nanostructures provide high confinement and strong field enhancement in sub-wavelength regions, leading to high sensitivities; combined with fluorescence or other sensing mechanisms such as Raman or IR spectroscopy, they have already demonstrated increased sensing potential. The realization of a hybrid device combining both elements would be highly interesting, since it could yield the advantages of both elements, and the photonic structure could shape the plasmonic resonance to develop ultrasensitive devices with narrow resonance linewidth and increased sensing depth. In this context, we realized and studied a novel hybrid photonic / plasmonic device exploiting the coupling between the surface plasmon resonance of a bowtie nano - antenna (NAs) array and the photonic modes of porous silicon (PSi) interferometer. We designed and fabricated a NAs array with resonance wavelength ~ 1.3μm on a homogeneous PSi interferometer. A thin spacing silica layer with controllable density protects the pores of PSi layer and provides a smooth surface for the fabrication of NAs. The coupling mechanisms of two elements - NA array and interferometer, are studied with 2 models, which are interferometer approach and resonator approach. The interferometer approach is focused on studying the influence of NAs array as a homogeneous layer on the fringes shift of the interferometer. For resonator approach, the coupled mode theory is applied. With these models, strong coupling between both elements are discovered: splitting. In the case of viii smaller environment variation, the hybrid device gains 5-10 fold sensitivity enhancement vs. 2 elements alone. The controllable SiO2 layer allows us to sense the index variation within PSi interferometer. This opens a route towards double parallel sensing. The development of the theoretical models under different environment is ongoing, which is expected to utilize the strong coupling for the sensing. A further investigation of the sensing potential of the hybrid device would be expected. And the 2 elements constituting the hybrid structure – the interferometer and the NA array – could be modified in order to enlarge the study to a wider family of devices with greater properties and performances. This work was performed within the framework of the program “Groups of Five Ecoles Centrales” between China Scholarship Council (CSC) and Lyon Institute of Nanotechnologies (INL, CNRS UMR 5270). The project has been supported by the Nanolyon technology platform at INL.

Le travail décrit dans cette thèse se concentre sur le développement de matériaux « durs et mous » ainsi que leur interaction avec les cellules biologiques pour une application finale dans le domaine de la théranostique couvrant l'imagerie, la détection, la thérapie génique et la thérapie du cancer. Dans ce contexte, nous avons tout d'abord étudié l'utilisation de complexes (II) de platine phosphorescents auto-assemblés comme sonde cellulaire. Nous avons étendu l'idée de bio-imagerie en introduisant un concept d’imagerie basée sur l’émission stimulée où nous étions en mesure de générer un laser provenant d'une cellule biologique unique sans utiliser de cavité optique conventionnelle. En outre, des nano-transporteurs multifonctionnels à base de matières poreuses dures à savoir des zéolithes L et des nanoparticules de silice mésoporeuse pour de la « drug delivery » (relargage de médicaments et d’oligonucléotides) in vitro ide ont été développés avec succès et testés pour le traitement du glioblastome. Un autre nano-vecteur, qui est construit à partir de silice biodégradable, a également été synthétisé et sa capacité d'encapsuler des protéines et de les libérer dans les cellules vivantes lors de la dégradation de la structure dans un environnement réducteur a été démontrée. Enfin, l'utilisation de nouveaux matériaux plasmonique sur la base de nanoparticules d'argent enrobées de silice cassable pour la détection d'agents réducteurs a été mise en valeur. / The work described in this thesis focuses on the development of soft- and hard-materials as well as their interaction with biological cells for applications in the field of theranostics covering imaging, sensing, and gene, and cancer therapy. In this context, we first investigated the use of phosphorescent self-assembled platinum(II) complexes as cellular probes. We extended the concept stimulated emission-based bioimaging by generating a laser-like emission coming from a single biological cell without using any conventional optical cavity. In addition, we successfully developed multifunctional nanocarriers based on porous hard materials, namely zeolites-L and mesoporous silica nanoparticles for drug and oligonucleotide delivery in vitro and they were tested to treat glioblastoma. Another nanovector, which is constructed from biodegradable silica, was also synthesized and its ability to encapsulate proteins and release them in living cells upon degradation of the structure in reductive environment was demonstrated. Finally, the use of novel plasmonic structures based on breakable silica-coated silver nanoparticles for detection of reducing agents was successfully investigated.