Cette thèse porte sur l’étude des propriétés plasmoniques de réseaux nanostructurés dans le but de développer des applications de bioanalyse. L'intérêt de travailler avec ces structures est dû à leur grande sensibilité de surface, leur facilité de fabrication et leur simplicité d'analyse par spectrophotométrie en transmission. L'objectif était de fabriquer un dispositif capable d'effectuer du criblage à haut débit pour des fins biomédicales. Le premier objectif de la thèse porte sur l’étude des propriétés plasmoniques des réseaux de nanotrous. Une compréhension approfondie de ces structures a permis d’exploiter efficacement leur performance pour des applications de bioanalyse plasmonique. Une solution analytique fut établie pour étudier les modes de diffractions des polaritons de plasmons de surface d’onde de Bloch (BW-SPP). Cette équation a permis de corroborer les observations expérimentales avec des calculs théoriques par rapport au couplage plasmonique des réseaux de nanotrous. De plus, la variation de l'angle d'incidence a permis de déplacer la fréquence à laquelle les modes plasmoniques sont excités. Il était donc possible d'ajuster la position des BWSPP de façon à maximiser un couplage à une longueur d'onde désirée. Cet effet a été exploité avec la technique d'amplification de surface de diffusion Raman exaltée (SERS). Finalement, la sensibilité en surface de réseaux de nanotrous a été amplifiée selon l’angle d’excitation en transmission. Ce gain en sensibilité permet la détection de protéines d’IgG humain pour des basses concentrations de l’ordre du nanomolaire (nM). Le second objectif de la thèse traite du développement d’un lecteur multipuits couplé avec la technologie des réseaux de nanotrous afin de créer une plateforme de détection plasmonique pour du criblage à haut débit. Cet instrument offre une analyse en transmission d’échantillons nanostructurés à l’aide d’une plaque 96-puits pour des angles d’incidence allant jusqu’à 50°. Une nouvelle méthode de microfabrication de réseaux de nanotrous par photolithographie fut établie. Cette technique a permis de fabriquer des réseaux de nanotrous sur de grandes surfaces avec uniformité. L’efficacité du système fut démontrée pour la détection de protéines d’IgG humain, du méthotrexate (MTX) et le criblage d’anticorps de l’antigène prostatique spécifique (PSA). Le dernier volet de la thèse discute de l’étude des propriétés plasmoniques de réseaux de nanodisques recouverts d’un film d’or pour amplifier plus fortement la sensibilité des capteurs plasmoniques. Cette section de la thèse a démontré la performance des réseaux de nanodisques en tant que capteur plasmonique. En effet, les réseaux de nanodisques ont l’avantage d’exciter un mode de Bragg (BM, Bragg modes) en transmission directe générant une bande plasmonique fine ayant un facteur de mérite (FOM, figure of merit) élevé (sensiblité/réponse plasmonique). L’excitation de ces structures en transmission directe a simplifié énormément l’utilisation du robot multipuits par l’excitation à incidence normale tout en offrant une FOM supérieure aux réseaux de nanotrous. Pour continuer, des simulations 3D et une image Raman du signal SERS des structures ont démontré que le champ plasmonique des BM est grandement confiné autour des nanodisques. Ce confinement du champ plasmonique des réseaux de nanodisques à générer un facteur d’amplification SERS de l’ordre de 107. En somme, cette thèse démontre une étude des propriétés plasmoniques de réseaux nanostructurés pour des applications de bioanalyse par criblage à haut débit. Les études rapportées dans cette thèse ont prouvés que le champ plasmonique des réseaux de nanotrous peut être contrôlé afin d’amplifier leur sensibilité. De plus, la thèse rapporte la première plateforme de bioanalyse plasmonique utilisant un lecteur multipuits. Finalement, la fabrication de structures plasmoniques composés de nanodisques d’or a permis de mettre en évidence des propriétés optiques qui peuvent être mises à profit pour des mesures optiques ultras sensibles. / This thesis describes the plasmonic properties of nanostructured arrays towards development of biosensing applications. These structures exhibited several advantages such as high surface sensitivity, ease of microfabrication and simple excitation setup in transmission spectroscopy. The goal was to design a plasmonic device able to achieve high throughput analysis for biomedical purposes. The first section of the thesis covers a study of the plasmonic properties of nanohole arrays. An analytical solution was derived to assess plasmonic properties of the diffraction modes of Bloch-Wave surface plasmon polaritons (BW-SPP). Tuning of the excitation angle allowed for a precise control of the plasmonic signal’s position and an optimal coupling at a specific wavelength. This feature of nanohole arrays was demonstrated for applications in surface-enhanced Raman scattering (SERS). Finally, this section described the enhancement of the surface sensitivity of nanohole arrays through variation of the excitation angle in transmission. Such enhancement of the sensitivity allowed for detection of the concentration of human IgG proteins in the low nanomolar range. The second section of the thesis discusses the development of a multi-well plate reader coupled with the nanohole arrays technology. A custom-built plasmonic reader, designed at University of Montreal, allowed analysis of plasmonic structures in transmission with a 96-well plate for excitation where the incident angle is up to 50° relative to normal. A novel microfabrication technique of nanohole arrays, based on photolithography, is described. This technique allowed fabrication of nanohole arrays on a large scale with great surface uniformity. The performance of the plasmonic reader is demonstrated for sensing of human IgG proteins, methotrexate (MTX) and screening of prostate specific antigen (PSA) antibodies. The final section of the thesis describes studies on the plasmonic properties of nanodisk arrays coated with a gold film. This section described the performance of nanodisk arrays for plasmonic sensing. This structure benefited from the excitation of Bragg modes (BM) in direct transmission, which generated a sharp plasmonic band with a high figure of merit (FOM). The excitation of nanodisk arrays in direct transmission simplified the design of the plasmonic reader while providing a greater FOM than nanohole arrays. Furthermore, 3D simulations and a Raman image of the nanodisk arrays’ SERS intensity showed the confinement of the plasmonic field of the BM at the edges of the nanodisk. Such confinement of the plasmonic field of nanodisk arrays led to high SERS enhancements to a factor of 10^7. In summary, this thesis studied the plasmonic properties of nanostructured arrays towards development of applications for high throughput biosensing. These studies proved that the plasmonic field of nanohole arrays can be tuned to enhance their surface sensitivity. Furthermore, the thesis revealed the first plasmonic sensing platform using a multiwell plate reader. Finally, the thesis describes a novel plasmonic structure with outstanding optical properties; the gold coated nanodisk arrays.

Les microcavités optiques présentent de hauts facteurs de qualité, c'est pourquoi ces systèmes sont d'un grand intérêt pour la conception de lasers à bas seuil, ou encore, pour l'étude du régime de couplage fort. En revanche, ces systèmes sont soumis à la limite de diffraction de la lumière, et donc les modes qu'ils supportent ont une extension spatiale ne pouvant être en deçà de l'échelle de la longueur d'onde. Dans ce manuscrit de thèse, nous nous intéressons aux systèmes plasmoniques parce qu'ils supportent des modes confinés à l'échelle nanométrique. En premier lieu, nous étudions une microcavité plasmonique planaire, constituée de deux miroirs plasmoniques qui piègent les ondes de surface au sein du système. Nous sondons spatialement les modes de la cavité en mesurant le temps de vie de fluorescence de molécules individuelles dispersées au sein du système. Puis, nous nous intéressons au confinement en 3 dimensions de modes supportés par des nanoparticules métalliques sphériques. Nous discutons de la définition du volume modal basée sur le calcul du confinement d'énergie autour de la particule. Ensuite, nous étudions l'exaltation de fluorescence d'ions de terres rares au sein d'une particule plasmonique de configuration coeur-coquille. Enfin, nous perturbons la photodynamique d'émission d'une source de photon unique en approchant à proximité l'extrémité d'une pointe plasmonique / 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

Significant technological advances of the last years have been possible by developments in Optofluidics, which is a field that deals with the integration of optics and microfluidics into single devices. The work described in this thesis is based on five scientific publications related to the use of fiber optic technology to build integrated optofluidic devices. The first three publications are within the field of life-science and point towards in-vivo and point-of-care applications, whereas the last two publications cover the study and the use of plasmonic nanoparticles for electrical modulation of light. Aiming at developing useful tools for in-vivo biological applications, the first publication consists of designing and testing a functional optical fiber for real-time monitoring and selective collection of fluorescent microparticles. This probe relies on a microstructured optical fiber with a hole along its cladding, which is used to selectively aspirate individual particles of interest once their fluorescence signal is detected. On the same line of research, the second publication contemplates the fabrication of a fiber probe that traps single microparticles and allows for remote detection of their optical properties. This probe is also based on a microstructured fiber that enables particle trapping by fluidic forces. The third publication addresses the development of an all-fiber miniaturized flow cytometer for point-of-care applications. This system can analyze, with excellent accuracy and sensitivity, up to 2500 cells per second by measuring their fluorescence and scattering signal. A novel microfluidic technique, called Elasto-inertial microfluidics, is employed for aligning the cells into a single-stream to optimize detection and throughput. The fourth publication involves the experimental and theoretical study of the electrical-induced alignment of plasmonic gold nanorods in suspension and its applicability to control light transmission. This study is done by using an all-fiber optofluidic device, based on a liquid-core fiber, which facilitates the interaction of light, electric fields, and liquid suspensions. Results show that nanorods can be aligned in microseconds, providing a much better performance than liquid-crystal devices. Finally, the fifth publication consists of an upgrade of the previous device by integrating four electrodes in the cladding of the liquid-core fiber. This improvement enables nanosecond response time and the possibility of digitally switching nanorods between two orthogonal aligned states, overcoming the limitation of slow thermal relaxation. The work presented here shows that optofluidics based on optical fibers is a robust and convenient platform, as well as a promising direction for the developing of novel instruments in fields such as life-science, non-linear optics, plasmonic, and sensing. / <p>QC 20171018</p>

Ce travail est consacré à la synthèse et la caractérisation des commutateurs et des fils moléculaires incorporant l'unité et le ruthénium organométalliques fractions photochromiques. La première partie traite de lanthanides complexe Yb combiné avec l'unité et le ruthénium acétylure fractions photochromiques afin de moduler la luminescence avec l'aide de redox et de stimuli lumineux. Dans la deuxième partie explique la combinaison d'unités DTE photochromiques avec des fragments acétylures de ruthénium pour fixer sur la surface de nanoparticules métalliques afin d'affiner leur résonance plasmonique grâce à la modification de l'environnement de surface en utilisant la lumière et redox stimuli. La troisième partie décrit la préparation de complexes de lanthanides combinés avec une unité photochromique spiropyranne pour commuter les propriétés SMM des complexes via photoisomérisation de l'unité spiropyranne. Dans la dernière partie, nous présentons la synthèse de Oligo (phénylène éthylène) Les fils moléculaires avec différents noyaux centraux afin d'obtenir une variété de fil avec différents niveaux d'énergie HOMO-LUMO pour vérifier l'effet de l'épinglage. / This work is devoted to the synthesis and characterization of novel molecular switches and wires incorporating photochromic unit and ruthenium organometallic moieties. The first part deals with lanthanide Yb complex combined with photochromic unit and ruthenium acetylide moieties in order to modulate the luminescence with the help of redox and light stimuli. In the second part explained the combination of photochromic DTE units with ruthenium acetylide moieties to attach on the surface of metal nanoparticles in order to tune their plasmonic resonance through the surface environment modification by using light and redox stimuli. The third part describes the preparation of lanthanide complexes combined with a spiropyran photochromic unit in order to switch the SMM properties of the complexes via photoisomerization of the spiropyran unit. In the last part, we report the synthesis of Oligo(phenylene ethylene) molecular wires with different central cores in order to obtain various wire with different HOMO-LUMO energy levels to check the effect of pinning.

Cette thèse porte d'une part sur l'étude de la stabilité du biexciton dans le nanotube de carbone et, d'autre part, sur le contrôle de l'émission du nanotube par le couplage des nanotubes de carbone à des antennes plasmoniques. La technique de spectroscopie optique non-linéaire de saturation d'absorption, appliquée aux nanotubes de carbone, nous a permis d'effectuer la première observation du biexciton dans cette nanostructure. Plus précisément, deux raies d'absorptions induites sont observées et attribuées au trion et à l'exciton par des études en températures et en puissance du laser de pompe. La mise en oeuvre d'une configuration à trois faisceaux basée sur un schéma en double-pompe permet de confirmer la photo-génération du biexciton en tant qu'excitation élémentaire du nanotube de carbone. Le biexciton est observé avec une énergie de liaison de 107 ± 1 meV pour la chiralité (9,7) et présente un profil asymétrique de Fano. Une première estimation de la dynamique de recombinaisondu biexciton est donnée par description quantitative du processus de Fano. Le modèle est basé sur le formalisme de la susceptibilité non-linéaire du troisième ordre χ(3) incluant le couplage coulombien entre le biexciton et le continuum des paires électron-trou de la première singularité de Van Hove. Le facteur de Fano est évaluée à q = 5 et conduit à l'estimation du taux de recombinaison Auger du biexciton B ∈ [0.1; 1] μm·ps−1 . Le rendement radiatif du biexciton est ainsi estimé à 10−6 .Dans le but d'étudier les nanotubes en cavité plasmonique, une expérience de micro-photoluminescence et une expérience de spectroscopie en champ sombre, sont développés dans le domaine spectrale des télécommunications (1.3 μm et 1.55 μm). La caractérisation de divers types échantillons de nanotube et des antennes plasmoniques sont présentés. Des résultats préliminaires sur un échantillon de nanotubes associés dans une configuration patch à des antennes plasmoniques montrent une corrélation entre la position des antennes et les zones luminescentes, ainsi qu'un changement de l'allure des spectres de photoluminescence. Ces premiers résultats constituent une transition dans la démarche de notre projet. L'étape de calibration des expériences est en phase de finition et l'étude des propriétés physique des nanotubes en cavité plasmonique représente désormais une activité opérationnelle au sein de notre équipe. / This thesis focus on both the biexciton's stability in carbon nanotubes, and the control of the nanotube emission through its coupling to plasmonic antenna.We report the first observation of biexciton in carbon nanotubes by means of spectral holeburning nonlinear optical spectroscopy. More precisely, two induced absorption lines are detected and assigned to trion and biexciton after investigation of their temperature and pump power dependences. An additional proof of the detection of the biexciton, as an elementary excitation of carbonnanotubes, is given in a three-beam configuration based on a two-pump scheme. The biexciton of the (9,7) chirality is observed with a binding energy of 107 ± 1 meV and shows an asymetric Fano lineshape. A first estimation of the biexciton's recombinaison dynamics is given by the quantitative analysis of the nonlinear signal. Our analytic model is formulated in the framework of the chi(3) nonlinear response, including coulomb interaction between biexcitons and free electron-hole pairs lying in the first Van Hove singularity. A Fano factor of about q = 5 is determined, which drives us to the estimation of biexciton's Auger recombinaison rate B ∈ [0.1; 1] μm · ps−1 . The Biexciton's radiative yield is then estimated of the order of 10−6 .In order to study nanotubes in plasmonic cavities, we developed micro-photoluminescence and dark-field spectroscopy experiments in the optical fiber telecommunication wavelengths (1.3 μm and 1.55 μm). Caracterisation of nanotube samples and plasmonic antenna are presented. Preliminary results on nanotubes inserted in a patch antenna have shown correlation between antenna's position and the spatial distribution of luminescence. Moreover, a change in the carbon nanotube's photoluminescence profile is observed. These results appear to be a turning point in our work. The calibration of our experiment is at its end and studies of optical properties of carbon nanotubes coupled to plasmonic antenna are now on stream in our team.

Les nanocristaux colloïdaux sont des fluorophores semi-conducteurs de taille nanométrique. Fluorescents à température ambiante et synthétisés par voie chimique, ces nanoémetteurs représentent d'excellents candidats pour divers domaines d'application tels que l'éclairage, le marquage biologique ou le photovoltaïque.Mon travail expérimental, s'inscrit dans le développement de ces nanoémetteurs via deux approches différentes : leur couplage avec des nanostructures plasmoniques à 4K et la mise en place de régime d'émission collective.Dans un premier temps, nous avons étudié le couplage de nancoristaux individuels avec des films d'or plan dans le but de réduire les pertes par effet Joule. Tout d'abord, nous nous sommes intéressés à l'influence de la température sur ce couplage. A partir d'expériences de photoluminescence et de simulations numériques effectuées par Gérard Colas des Francs du LCIB, nous avons pu mesurer et simuler une forte diminuation de l'accélération du temps caractéristique d'émission des nanocristaux lorsque la température passe de 300K à 4K. Cette diminution est directement liée à une importante diminution des pertes ohmiques des couches d'or. L'efficacité quantique des nanocristaux est ainsi augementée d'un facteur 3. Ensuite, nous avons étudié l'influence de la cristallinité de l'or sur ce couplage. A nouveau une forte réduction de l'accélération de l'émission des nanocristaux a été mesurée sur or cristallin en comparaison avec des couches d'or amorphe. Ces mesures laissent de nouveau présager une réduction des pertes par effet Joule ainsi qu'une augmentation d'au moins un facteur deux de l'efficacité quantique des nanocristaux.Dans un second temps, nous avons effectué les premières caractérisations d'agrégats de nanocristaux enrobés dans une coquille de silice. A température ambiante, nous avons mis en évidence la présence d'interaction de type FRET entre les nanocristaux émettant dans le bleu et les nanocristaux émettant dans le rouge. Cette interaction permet ainsi une accélération de l'émission globale des agrégats. A 4K, nous avons observé une modification de la dynamique d'émission des agrégats avec l'apparition de deux échelles de temps différentes. Pour les temps courts, la dynamique d'émission est accélérée et est régie par la recombinaison de l'exciton. Pour les temps longs, la dynamique d'émission est régie par une loi de puissance traduisant ainsi l'apparition de temps caractéristiques d'émission extrêmement longs. / Colloidal semiconductor nanocrystals are fluorescent semiconductors with a nanometric size. Bright at room temperature and chemically synthesized, nanocrystals are interesting candidates for differents applications as lighting, biological labeling or photovoltaic.My experimental work, is part of the development of these emitters by two differents approaches : coupling with plasmonic structures at 4,K and formation of collective emission.First, we studied the coupling between single nanocrystals and a flat gold film in order to decrease the optical losses. To begin we studied the influence of the temperature. With some photoluminescence measurements and some simulations, we show significant decrease of the enhancement of the photoluminescence decay rate at 4,K. This reduction is linked to the decrease of optical losses. Then, we studied the influence of crystallinity of gold. We show again an important reduction of enhancement of the photoluminescence decay rate with crystalline gold compared to amorphous layer.Second, we investigated the optical properties of compact nanocrystal clusters encapsulated in a silica shell. At room temperature, we observed an enhancement of the photoluminescence decay rate through Förster resonance energy transfer (FRET). At 4K, we measured an important variation of the emission dynamic with emergence of two times scales. At short time scale, emission is accelerated and governed by the exciton recombination. At long time scale, the decay is governed by power law showing the emergence of long-lived states.

[ES] La irradiación de nanopartículas de oro (AuNPs) esféricas en una suspensión coloidal con pulsos láser de nanosegundos puede inducir su metamorfosis, dando lugar a la aparición de esferas con cavidades internas. La concentración del surfactante estabilizador de las partículas, el uso de fluencias de láser moderadas y el tamaño de las partículas, determinan la eficiencia y características del proceso. Las partículas huecas resultantes se obtienen cuando las moléculas del medio circundante (ej., agua, materia orgánica del surfactante) quedan atrapadas durante la irradiación láser. Estas observaciones experimentales sugieren la existencia de un balance sutil entre los procesos de calentamiento y enfriamiento. El primero induce la expansión y paso a un estado amorfo y, el segundo, la subsecuente recristalización manteniendo en su interior el material atrapado. Estas observaciones experimentales han sido explicadas satisfactoriamente con las simulaciones de dinámica molecular clásica desarrolladas en el marco de esta tesis. Específicamente, la dinámica molecular confirma que es necesaria la existencia de moléculas en el interior de las cavidades que se forman dentro de las AuNPs para que se produzca su estabilización. En la segunda parte de esta tesis, se detallan las simulaciones de dinámica molecular clásica y los cálculos de propiedades ópticas de la irradiación de nanopartículas esféricas de oro con pulsos láser de femtosegundos, para predecir los cambios de forma que se producen en las mismas, bajo una exploración de los diferentes parámetros involucrados, es decir, la fluencia y duración del láser, el tamaño de las nanopartículas cristalinas esféricas y la capacidad de enfriamiento del medio circundante. El objetivo fundamental de las simulaciones es brindar una guía para la síntesis de nanopartículas con morfologías determinadas. Los resultados de las simulaciones indican que, para la formación de nanopartículas huecas, las mismas deben ser calentadas hasta una temperatura entre 2500 y 3500 K, seguido por un enfriamiento exponencial rápido, con una constante de tiempo menor de 120 ps. Por lo tanto, se describen las condiciones experimentales para la producción eficiente de nanopartículas huecas, lo que abre un amplio rango de posibilidades de aplicación en áreas fundamentales, tales como el almacenamiento de energía y la catálisis. En la última parte de esta memoria se exponen las simulaciones de dinámica molecular clásica implementadas para profundizar en los experimentos pumpprobe con nanoesferas plasmónicas de oro, desarrollados en la referencia [R.Fuentes-Domínguez et al. Appl. Sci. 2017, 7(8), 819.]. Tras la irradiación láser y consecuente deposición de energía, las partículas vibran, lo que se puede medir mediante la fuerte modulación producida en la sección eficaz de dispersión. La vibración mecánica de las AuNPs esféricas, tras ser irradiadas con láseres ultracortos, las convierte en generadores termoelásticos eficientes de ultrasonido y, por tanto, en excelentes candidatos para transductores luz-sonido en diversas aplicaciones. / [CA] La irradiació de nanopartícules d'or (AuNPs) esfèriques en una suspensiócolloidal amb polsos làser de nanosegons pot induir la seua metamorfosi, donant lloc a l'aparició d'esferes amb cavitats internes. La concentració del surfactante estabilitzador de les partícules, l'ús de fluencias de làser moderades i la grandària de les partícules, determinen l'eficiència i característiques del procés. Les partícules buides resultants s'obtenen quan les molècules del mitjà circumdant (ex., aigua, matèria orgànica del surfactante) queden atrapades durant la irradiació làser. Aquestes observacions experimentals suggereixen l'existència d'un balanç subtil entre els processos de calfament i refredament. El primer indueix l'expansió i passe a un estat amorf i, el segon, la subseqüent recristalización mantenint en el seu interior el material atrapat. Aquestes observacions experimentals han sigut explicades satisfactòriament amb les simulacions de dinàmica molecular clàssica desenvolupades en el marc d'aquesta tesi. Específicament, la dinàmica molecular confirma que és necessària l'existència de molècules a l'interior de les cavitats que es formen dins de les AuNPs perquè es produïsca la seua estabilització. En la segona part d'aquesta tesi, es detallen les simulacions de dinàmica molecular clàssica i els càlculs de propietats òptiques de la irradiació de nanopartícules esfèriques d'or amb polsos làser de femtosegundos, per a predir els canvis de manera que es produeixen en aquestes, sota una exploració dels diferents paràmetres involucrats, és a dir, la fluencia i duració del làser, la grandària de les nanopartícules cristal·lines esfèriques i la capacitat de refredament del mitjà circumdant. L'objectiu fonamental de les simulacions és brindar una guia per a la síntesi de nanopartícules amb morfologies determinades. Els resultats de les simulacions indiquen que, per a la formació de nanopartícules buides, les mateixes han de ser calfades fins a una temperatura entre 2500 i 3500 K, seguit per un refredament exponencial ràpid, amb una constant de temps menor de 120 pg. Per tant, es descriuen les condicions experimentals per a la producció eficient de nanopartícules buides, la qual cosa obri un ampli rang de possibilitats d'aplicació en àrees fonamentals, tals com l'emmagatzematge d'energia i la catàlisi. En l'última part d'aquesta memòria s'exposen les simulacions de dinàmica molecular clàssica implementades per a aprofundir en els experiments pumpprobe amb nanoesferas plasmónicas d'or, desenvolupats en la referència [R. Fuentes-Domínguez et al. Appl. Sci. 2017, 7(8), 819.]. Després de la irradiació làser i conseqüent deposició d'energia, les partícules vibren, la qual cosa es pot mesurar mitjançant la forta modulació produïda en la secció eficaç de dispersió. La vibració mecànica de les AuNPs esfèriques, després de ser irradiades amb làsers ultracortos, les converteix en generadors termoelásticos eficients d'ultrasò i, per tant, en excel·lents candidats per a transductors llum-so en diverses aplicacions. / [EN] The irradiation of gold nanoparticles (AuNPs) in a colloid with nanosecond laser pulses can give rise to the formation of cavities. The concentration of the surfactant used to stabilize the particles, the laser fluency, and the size of the nanoparticles, determine the efficiency and features of the process. The resulting hollow particles are obtained when the right balance between the heating and cooling processes is given. The first process induces an expansion and the melting of the particle, while the second, leads to the recrystallization, keeping the extraneous matter trapped in the inside. These experimental observations have been satisfactorily explained by the molecular dynamics simulations carried out in this thesis. Specifically, the simulations have confirmed that it is necessary the existence of trapped molecules in the inside of the cavities to stabilize the cavities. In the second part of this thesis, the molecular dynamics simulations and calculation of optical properties when gold nanoparticles (in a colloid) are irradiated with femtosecond laser pulses. The simulations allowed to predict the the shape changes under different conditions for the laser fluency and duration, the size of the nanoparticles and the cooling rate, which is driven by the properties of the solvent and the surfactant. These simulations provide a guidance for the synthesis of nanoparticles with specific morphological features. The results show that the nanospheres should be heated up to 2500 y 3500 K, followed by a fast cooling (time constant of 120 ps). Therefore, the experimental conditions for the efficient production of hollow nanoparticles are described what opens a broad range of possibilities for applications in areas such as energy storage and catalysis. MD simulations are carried out in the last part of this thesis to gain insights into the pump-probe experiments using AuNPs in reference [R. Fuentes-Domínguez et al. Appl. Sci. 2017, 7(8), 819.]. Upon femtosecond laser irradiation and deposition of energy, the nanospheres vibrate which can be measured by means of the scattering cross section. This fact becomes the AuNPs in ideal thermoelastic ultrasound generators and therefore in excellent candidates for light-sound transducers in different applications. / Castro Palacio, JC. (2021). Modelación físico-matemática y simulaciones computacionales para guiar el diseño y fabricación de nanoestructuras plasmónicas optimizadas para aplicaciones energéticas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/175557 / TESIS

Tato diplomová práce se zabývá rigorózními simulacemi plazmonických biosenzorů založených na jevu zvýšené optické transmise. První část je věnována popisu fyzikálních jevů a poznatků, které tvoří základ pro studium vlastností plazmonických senzorů, a popisu výpočetní metody konečných prvků v časové oblasti, která je využita v této práci. Vlastní výsledky jsou uvedeny v další části, která se zabývá výzkumem citlivosti, rozlišení a dalších charakteristik zvoleného typu plazmonického sensoru, tvořeného sítí kruhových nanoděr v tenké zlaté vrstvě na substrátě nitridu křemíku, v závislosti na řadě jeho geometrických parametrů. Tyto závislosti jsou sledovány ve třech různých případech, a to senzoru umístěného ve vakuu, ponořeného ve vodě a v případě kdy je na zlatém povrchu umístěna tenká dielektrická vrstva, která reprezentuje přítomnost biomolekul uchycených na povrchu senzoru.

Tato práce se zabývá mikroskopickými technikami využívajícími elektronový a iontový svazek pro přípravu a charakterizaci plazmonických nanostruktur. Analytická elektronová mikroskopie je představena se zaměřením na aplikace v oblasti plazmoniky. Důraz je kladen na spektroskopii energiových ztrát elektronů (EELS) a katodoluminiscenci. Dále je diskutována výroba plazmonických vzorků pro transmisní elektronovou mikroskopii, přičemž je kladen důraz na litografii iontovým svazkem a na přípravu vzorků za použití chemicky syntetizovaných částic ve vodném roztoku. Hlavní výzkumné výsledky práce jsou rozděleny do čtyř částí. První část se věnuje komparativní studii plazmonických antén vyrobených elektronovou a iontovou litografií. Přestože obě techniky jsou vhodné pro výrobu plazmonických antén, elektronová litografie by měla být upřednostňována před iontovou litografií díky lepší kvalitě výsledných antén a jejich silnější plazmonické odezvě. Antény vyrobené iontovou litografií mají neostré okraje, vykazují výrazné kolísání tloušťky a jsou také silně kontaminovány nejen organickými kontaminanty, ale také rezidui po iontové litografii včetně implantovaných iontů z iontového svazku a atomů titanové adhezivní vrstvy. Ve druhé části je zkoumán Babinetův princip komplementarity pro plazmonické nanostruktury na sérii zlatých diskových antén a komplementárních apertur ve zlaté vrstvě s různými průměry. Komplementarita je potvrzena pro základní plazmonické vlastnosti jako rezonanční energie, ale rozdíly způsobené omezenou platností Babinetova principu jsou patrné například pro prostorové rozložení blízkého pole plazmonových polaritonů. Třetí část shrnuje studii nanostruktur s funkčními vlastnostmi souvisejícími s lokálním zesílením elektrického a magnetického pole. Obzvlášť silné lokální zesílení pole vykazují plazmonické antény tvaru bowtie a diabolo, a to jak ve formě částic, tak ve formě apertur. Naše studie umožnila identifikovat několik módů lokalizovaných povrchových plazmonů v těchto anténách a charakterizovat jejich vlastnosti včetně energie módu, rozložení elektrické a magnetické složky blízkého pole módu, a kvalitativní rozložení uzlů náboje a proudu souvisejících oscilací elektronového plynu. Dále jsme studovali laditelnost energií módů v blízké infračervené a viditelné spektrální oblasti a zaměřili jsme se na Babinetovskou komplementaritu mezi přímými a invertovanými anténami. Poslední část je zaměřena na stříbrný amalgám, nový a velmi perspektivní plazmonický materiál. Změnou velikosti stříbrných amalgámových nanostruktur může být jejich plazmonová rezonance laděna od oblasti ultrafialového záření přes celou viditelnou až po infračervenou oblast. Jelikož stříbrný amalgám je dobře prozkoumán v oblasti elektrochemie, stříbrné amalgámové nanočástice otevírají možnost kombinovat plazmoniku a elektrochemii dohromady.

Tato diplomová práce se zabývá vlastnostmi plazmonických antén v oblasti vysokých vlnových délek. Důraz je kladen na popis rezonančních vlastností jednotlivých antén i antén uspořádaných do periodických polí. Těžiště práce spočívá v počítačovém modelování navýšení magnetického pole v blízkosti antén, které lze využít ve vysokofrekvenční elektronové paramagnetické rezonanci (HFEPR) k zesílení měřeného signálu. Autor se zabývá kvantifikací zesílení v anténách s odlišnou geometrií a navrhuje i geometrii vlastní. Značná část práce se také věnuje snaze rozlišit příspěvky k navýšení magnetického pole od různých zdrojů při měření HFEPR v uspořádání s dvojitou transmisí záření.