La nanophotonique non-linéaire offre une opportunité unique pour ouvrir de nouvelles voies vers des applications dans les détecteurs, les ordinateurs et la cryptographie quantique. Cependant, la faiblesse intrinsèque de la réponse non-linéaire des milieux de taille inférieure au micromètres limite fortement l’efficacité des sources optique à cette échelle. Combiner l'exaltation du champ électromagnétique dans les métaux (appelée résonance plasmonique) et l'efficacité non-linéaire de nanocristaux non-centosymétriques apparait extrêmement souhaitable et constitue le cœur de ce projet. Dans ce cadre, le travail présenté dans cette thèse consiste en une approche numérique quantitative des processus linéaires et non-linéaires (génération de second harmonique et de paires de photons) mis en jeu dans les nanostructures hybrides afin de pouvoir « accorder » les résonances plasmoniques et optimiser le couplage lumière-matière. L’étude menée prédit une exaltation par plusieurs ordres de grandeur des processus non linéaires modélisés au sein de particules composites. / Nonlinear nanophotonics offers a unique opportunity to open new path toward a wide range of pratical applications in sensors, quantum computers, cryptography devices. The main challenge is to enhance nonlinear response of nanosized particles in order to integrate them in optical components. On this purpose, we want to combine the electromagnetic field enhancement in metals (due to a phenomenon called plasmonic resonances) with non linear efficiency of non centrosymmetric nanocrystals.In this thesis, we present a numerical approach for simulating linear and non linear optical processes (second harmonic generation and spontaneous numerical down conversion) in hybrid nanostructures in order to “ tune “ plasmonic resonances and optimize light/matter coupling. The study predicts an enhancement by several orders of magnitude of the non linear phenomena modeled in composite nano particles.

Thesis advisor: Michael J. Naughton / Nanoscale biosensing devices improve and enable detection mechanisms by taking advantage of properties inherent to nanoscale structures. This thesis primarily describes the development, characterization and application of two such nanoscale structures. Namely, these two biosensing devices discussed herein are (1) an extended-core coaxial nanogap electrode array, the ‘ECC’ and (2) a plasmonic resonance optical filter array, the ‘plasmonic halo’. For the former project, I discuss the materials and processing considerations that were involved in the making of the ECC device, including the nanoscale fabrication, experimental apparatuses, and the chemical and biological materials involved. I summarize the ECC sensitivity that was superior to those of conventional detection methods and proof-of-concept bio-functionalization of the sensing device. For the latter project, I discuss the path of designing a biosensing device based on the plasmonic properties observed in the plasmonic halo, including the plasmonic structures, materials, fabrication, experimental equipment, and the biological materials and protocols. / Thesis (PhD) — Boston College, 2019. / Submitted to: Boston College. Graduate School of Arts and Sciences. / Discipline: Physics.

Imaging of biomolecules on the nano-scale is a crucial developing technology with major implications for our understanding of biological systems and for detection and therapy of disease. Plasmonic nanoparticles are a key optical contrast agent whose signal is generated by the collective oscillation of electrons in the metal particle. The resonance behavior of the electrons depends strongly on the arrangement of neighboring nanoparticles in a structure. This property may be exploited in imaging applications to report information on nanoscale morphology of targeted biomolecules. While the effect of plasmon resonance coupling has been studied in dimers and linear arrays of nanoparticles, this phenomenon remains largely unexplored in the case of 2D and 3D assemblies which are important in molecular cell imaging. This dissertation demonstrates how the optical signal from assemblies of gold nanoparticles can be related to nanoscale morphology in cellular imaging systems. First, the scattering spectra from live cells labeled with gold nanoparticles were collected and compared to the nanoscale arrangement of the particles in the same cells as determined by electron micrograph. Then, trends in scattering spectra with respect to nanoparticle arrangement were analyzed using a model system that allowed precise control over arrangement of nanoparticles. Several approaches to creating these model systems are discussed including biochemical linking, capillary assembly of colloidal particles, and direct deposition of gold onto substrates patterned by electron beam lithography. Spectral properties of the assemblies including peak position, width, and intensity are gathered and related to model variables including interparticle gap and overall particle number. It is shown that the redshift in the scattering spectra from nanoparticle assemblies is derived from both the particle number and the gap and is due to near-field coupling of particles as well as phase retardation of the scattered wave. The redshift behavior saturates as the number of particles in the aggregate increases but the saturation point depends strongly on interparticle gap. The drastic dependence of the red-shift saturation on the gap between nanoparticles has not been previously described; this phenomenon can have significant impact on the development of nanoparticle contrast agents and plasmonic sensor arrays. / text

No description available.

Le domaine du spectre électromagnétique correspondant aux fréquences térahertz est encore peu exploité, pourtant, les applications nécessitant la génération, l’amplification ou la détection d’un signal térahertz sont nombreuses et intéressantes. Dans ce travail, nous nous intéressons tout particulièrement au détecteurs plasmoniques, qui constituent une alternative prometteuse à la montée en fréquence des capteurs électroniques et à l’utilisation de capteurs thermiques pour les photons de faible énergie. Les capteurs plasmoniques fonctionnent grâce au couplage entre le photon térahertz et un plasmon au sein d’un gaz d’électrons bidimensionnel (2DEG). Le plasmon-polariton est ensuite transformé en un signal continu et détectable. Nous utilisons pour cela le 2DEG présent dans l’hétérostructure AlGaN/GaN. Le couplage entre le photon et le plasmon-polariton est réalisé par un réseau métallique déposé sur la structure semi-conductrice. Tout d’abord, l’étude du couplage photon/plasmon par des simulations électromagnétiques nous a permis de connaître les fréquences de résonance des plasmons-polaritons en fonction des dimensions du réseau. Le motif de réseau composé de deux bandes de métal de largeurs différentes a été plus particulièrement étudié. Ce motif permettant aux détecteurs d’atteindre une très haute sensibilité [Coquillat et al., 2010] et n’avait pas encore été étudié du point de vue de son efficacité de couplage. Des détecteurs, dimensionnés pour notre montage de test à 0,65 THz, ont ensuite été fabriqués puis mesurés avec un réseau non-polarisé, à température ambiante et refroidis à l’azote. La correspondance entre la variation de la sensibilité en fonction de la fréquence et les spectres d’absorption mesurés au spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) montre l’importance de l’étape de couplage dans le processus de détection. Contrôler la densité électronique dans le 2DEG permet de modifier la fréquence de résonance des plasmons-polaritons et d’augmenter la sensibilité des détecteurs. Nous avons mené des développements technologiques de manière à pouvoir contrôler la densité électronique du 2DEG en appliquant une tension sur le réseau. Cette étape constitue un défi technologique compte tenu de la surface très étendue des réseaux (plusieurs mm²). Nous avons finalement fabriqué des détecteurs pour lesquels la fréquence de résonance de couplage peut être contrôlée grâce à la tension appliquée sur le réseau. / Abstract: The objectives of this thesis were the fabrication, the measurement and the study of gallium nitride THz detectors. These detectors are working as follows : first the incident THz photon is coupled to a plasmon in the quantum well at the interface AlGaN/GaN. This plasmon is then turned into a continuous measurable current. One of the key-components in this type of detectors is the grating coupling the incident photon and the plasmon. Electromagnetic simulations have been made to determine the dimensions of the grating depending on the detection frequency. Detectors were then fabricated using the precendently calculated grating patterns. Their working frequency depending on their dimensions were measured with a good agreement with the previously led simulations. The grating is not used only as coupling element, but can be used to monitor the electron density in the quatum well as well, what should allow an exaltation of the rectification phenomenon and a frequency tunability. A technological development was needed to achieve grating actually monitoring the electron density over a wide range. It was a real challenge to fabricate such wide grating (36 mm²) with such small periods (about one micrometer) using epitaxies developped for devices with a much smaller area.

Le domaine du spectre électromagnétique correspondant aux fréquences térahertz est encore peu exploité, pourtant, les applications nécessitant la génération, l’amplification ou la détection d’un signal térahertz sont nombreuses et intéressantes. Dans ce travail, nous nous intéressons tout particulièrement aux détecteurs plasmoniques, qui constituent une alternative prometteuse à la montée en fréquence des capteurs électroniques et l’utilisation de capteurs thermiques pour les photons de faible énergie. Les capteurs plasmoniques fonctionnent grâce au couplage entre le photon térahertz et un plasmon au sein d’un gaz d’électrons bidimensionnel (2DEG). Le plasmon-polariton est ensuite transformé en un signal continu et détectable. Nous utilisons pour cela le 2DEG présent dans l’hétérostructure AlGaN/GaN. Le couplage entre le photon et le plasmon est réalisé par un réseau métallique déposé sur la structure semi-conductrice. Tout d’abord, l’étude du couplage photon/plasmon-polariton par des simulations électromagnétiques nous a permis de connaître les fréquences de résonance des plasmons-polaritons en fonction des dimensions du réseau. Le motif de réseau composé de deux bandes de métal de largeurs différentes a été plus particulièrement étudié. Ce motif permettant aux détecteurs d’atteindre une très haute sensibilité [Coquillat et al., 2010] et n’avait pas encore été étudié du point de vue de son efficacité de couplage. Des détecteurs, dimensionnés pour notre montage de test à 0,65 THz, ont ensuite été fabriqués puis mesurés avec un réseau non-polarisé, à température ambiante et refroidis à l’azote. La correspondance entre la variation de la sensibilité en fonction de la fréquence et les spectres d’absorption mesurés au spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) montre l’importance de l’étape de couplage dans le processus de détection. Contrôler la densité électronique dans le 2DEG permet de modifier la fréquence de résonance des plasmons-polaritons et d’augmenter la sensibilité des détecteurs. Nous avons mené des développements technologiques de manière à pouvoir contrôler la densité électronique du 2DEG en appliquant une tension sur le réseau. Cette étape constitue un défi technologique compte tenu de la surface très étendue des réseaux (plusieurs mm²). Nous avons finalement fabriqué des détecteurs pour lesquels la fréquence de résonance de couplage peut être contrôlée grâce à la tension appliquée sur le réseau. / The THz-domain of the electromagnetic spectrum is not frequently used, even if the generation, amplification and detection of THz-waves would open a wide range of interesting applications. In this work, we focus on plasmonic detectors as a promising alternative to the frequency-raising of high-frequency electronic detectors and to the use of thermic detectors for low-energy photons. The coupling between a THz-photon and a plasmon in a 2D electron gas (2DEG) gives birth to a plasmon-polariton, which is then turned into a continuous, measurable signal and explains the operation of the plasmonic detector. In this work, we use the 2DEG in the semiconductive heterostructure AlGaN/GaN. A metallic grating deposited on-top of the semiconductor realises the coupling between photon and plasmon. First, we used electromagnetic simulations to study the coupling between photon and plasmon and calculate the resonant coupling frequency with respect to the grating dimensions. We studied specifically a grating pattern made of two metal stripes of different widths. This pattern gives the highest sensitivity to the detectors [Coquillat et al., 2010] and had not been studied before in term of coupling efficiency. In a second time, we fabricated detectors designed to match our 0.65 THz experimental setup. These detectors have been measured at 77 K and at room-temperature. No voltage has been applied on the grating. We saw that the sensitivity variations with respect to the incident frequency correspond to the absorption spectra measured by Fourier Transform spectrometer (FTIR), what show the importance of the coupling for the detection. Monitoring the electronic density in the 2DEG is a way to monitor the plasmon-polariton resonant frequency and the detector sensitivity. We led technological development to monitor the electronic density in the 2DEG by applying a voltage on the grating. This has been a technological challenge because of the wide grating area (a few mm²). Finally, we fabricated detectors for which it was possible to monitor the resonant absorption frequency using the grating voltage.

As visual display technologies move closer to producing true three dimensional displays, pixel technologies need to be ever smaller and more functional to keep pushing the boundaries. Plasmonic metasurfaces have been shown to control the phase, amplitude and/or polarisation of incoming electromagnetic radiation. Nano-fabrication advancements have resulted in the fabrication of the building blocks of such metasurfaces at nano-scale dimensions, allowing the surfaces to interact with visible light, opening up applications in visual displays. As pixel sizes shrink, smaller colour filters will be required. The excitation of plasmonic resonances in metallic nano-structure arrays have resulted in colour filters an order of magnitude smaller than what is currently commercially available. As colour filters, plasmonic metasurfaces offer numerous advantages over pigment-based colour filters used in modern commercial liquid crystal (LC) displays, including environmental, size and longevity factors. Furthermore, exploiting the wavelength and polarisation dependant scattering of nano-structures, optical components, including lenses, waveplates and holograms containing sub-wavelength pixels have been demonstrated in the visible wavelength spectrum. The metasurfaces are able to mould optical wavefronts into arbitrary shapes with sub-wavelength resolution by introducing spatial variations in the optical response of the light scatterers. The applications demonstrated so far are, on the whole, static devices, that is to say their optical properties may not be altered post fabrication. To realise the full potential of plasmonic metasurfaces to visual applications the devices must be made active. By activating structural colour surfaces, not only may pixel densities potentially be increased simply by removing the need for separate red, green and blue filters, but a new class of high definition ultra-thin display devices may be accessible, whilst the dynamic manipulation of the wavelength and polarisation properties of nano-scattering elements would open up the possibilities to create sub-wavelength holographic pixels. This thesis investigates ways to activate static metasurfaces for colour, flat optic, and holographic applications. First, methods of dynamic control of the structural colour of plasmonic nano-hole arrays are investigated. By combining nano-hole arrays with liquid crystals, transmissive electrically tunable LC-nanohole pixels operating across the visible spectrum with un-polarised input light are experimentally demonstrated. An output analyser in combination with a nematic LC layer enables pixel colour to be electronically controlled through an applied voltage across the device, where LC re-orientation leads to tunable mixing of the relative contributions from the plasmonic colour input. Furthermore, exploiting the strong surface anchoring effects between an aluminium surface and LC molecules a twisted nematic LC cell, using a metallic grating as a combined colour filter, electrode and alignment layer, was shown to act a variable amplitude colour filter. The colour of these pixels was improved greatly utilising a grating-insulator-grating structure unique to this work. Second, a new process for fabricating aluminium nano-rod structures embedded in an elastomeric medium, with high spatial accuracy, is presented. The process is used to create nano-rod plasmonic resonator arrays whose optical properties may be altered by mechanical deformation. The pattern transfer process is further utilised to create dynamic optical elements, including nano-rod arrays for colour filters, tunable focal length Fresnel zone plates and photon sieves, and stretchable holograms with dynamic replay fields.

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.