Conductors with IR (infrared) plasma frequencies are potentially useful hosts of surface plasmon polaritons (SPPs) with subwavelength mode confinement for sensing applications. The underlying aim of this work is to identify such conductors that also have sharp SPP excitation resonances for biosensor applications at infrared (3-11 m) wavelengths, where biological analytes are strongly differentiated by their IR absorption spectra. In this work, various materials were investigated such as a heavily doped semiconductor, a semimetal, a conducting polymer and its composite. Heavily doped silicon was investigated by tuning its plasma frequency to the infrared region by heavily doping. The measured complex permittivity spectra for p-type silicon with a carrier concentration of 6  1019 and 6  1020 cm -3 show that these materials support SPPs beyond 11 and 6 m wavelengths, respectively. SPP generation was observed in angular reflection spectra of doped-silicon gratings. Photon-to-plasmon coupling resonances, a necessary condition for sensing, were demonstrated near 10 m wavelength for the heaviest doped, and the observed resonances were confirmed theoretically using analytic calculations. The permittivity spectra were also used to calculate SPP mode heights above the silicon surface and SPP propagation lengths. Reasonable merit criteria applied to these quantities suggest that only the heaviest doped material has sensor potential, and then mainly within the wavelength range of 6 to 10 m. iv The semimetal bismuth (Bi) has an infrared plasmon frequency less than the infrared plasma frequency of noble metals such as gold and silver, which is one order of magnitude lower than their plasma frequencies. The excitation of IR surface plasmons on Bi lamellar gratings in the wavelength range of 3.4 µm to 10.6 µm was observed. Distinct SPP resonances were observed although the usual condition for bound SPP is not satisfied in this wavelength range because the real part of the permittivity is positive. The excitation of these resonances agrees theoretically with the electromagnetic surface waves called surface polaritons (SPs). The measured permittivity spectra were used to calculate the SP mode heights above the bismuth surface and SP propagation length, which satisfied our criteria for sensors. A conducting polymer and its composite with graphite were also investigated since their plasma frequency may lie in the infrared region. Polyaniline was chemically synthesized and doped with various acids to prepare its salt form. A composite material of polyaniline with colloidal and nano-graphite was also prepared. Optical constants were measured in the long wave infrared region (LWIR) and were used to calculate SPP propagation length and penetration depth. SPP resonance spectra were calculated and suggested that polyaniline and its composite can be used as a host with sufficient mode confinement for IR sensor application.

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This thesis describes the application of coupled-cluster theory to model systems of metallic solids and cold-atom gases. First, I give an overview of both ground- and excited-state coupled cluster theory as background for the main topics in this thesis. Next, I evaluate the accuracy of several cost-saving approaches in estimating the coupled cluster correlation energy for a model metallic system, the uniform electron gas, in the complete basis set and thermodynamic limits. After that, I present calculations of the spectral function of the uniform electron gas in these same limits, the results of which are rationalized by applying a bosonized coupled-cluster theory to an approximate, simplified Hamiltonian that couples plasmons to a structureless core hole state. Finally, I show how coupled-cluster theory captures the many-body nature of two-component Fermi gases with tunable, attractive interactions.

Surface plasmon resonances at the nanoscale hold great potential for applications in many areas, and the characterization of plasmonic nanostructures plays a critical role in the realization of these applications. Electron energy loss spectroscopy (EELS) has emerged as a powerful characterization tool to study the response of plasmonic nanostructures due to its high spatial-resolution and the capability to probe bright as well as dark plasmonic modes. The main limiting factor of EELS is the energy resolution. However, in this thesis, we overcome this limitation using a combination of electron monochromation and the use of the Richardson-Lucy algorithm. We show that the algorithm could be used to obtain effective energy resolutions up to 10 meV. Using EELS we analyze the resonances of planar nanostructures, and we found that the supported resonances can be described as edge and cavity or film modes, behaving as 1D and 2D modes respectively. We also demonstrate that edge modes are unaffected by the presence of bends up to the critical angle of 90◦ where the modes start self-interacting producing large energy shifts. The interaction of plasmon resonances is also studied, and we show that the coupling can be reduced to three behaviors: coupling through the edge, coupling through a corner, and non-coupling. We propose a method to control the coupling through the edge in offset nanowires, by tuning the nodal alignment and spectral overlap of the edge modes. Finally, we analyze the plasmon modes supported by Koch snowflake fractal antennas, and we demonstrate that modes present in the fractals are formed by the edge modes supported by their characteristic edges. This thesis provides a complete picture of the surface plasmon resonances supported by planar nanostructures and demonstrates the ability of EELS to probe and image a wide variety of plasmonic resonances. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

Jusqu’à tout récemment, la plupart des travaux effectués pour l’exaltation de la fluorescence moléculaire avaient comme substrat l’argent ou l’or sous forme de nanoparticules. Toutefois, ces deux métaux ne sont pas tout à fait adaptés pour l’exaltation de la fluorescence dans l’UV avec leur maximum plasmonique situé aux environs de 400 nm pour l’argent et aux environs de 530 nm pour l’or. L’intérêt de l’UV vient principalement de visées biomédicales considérant qu’une majorité de biomolécules absorbent et émettent dans cette région. Dans le cadre de ce projet, les biomolécules d’intérêt sont l’ADN qui fluorescence grâce aux bases azotées et les trois acides aminés aromatiques, le tryptophane, la tyrosine et la phénylalanine, qui sont quant à eux responsables de la fluorescence des protéines. Le but de ce projet est de développer un système nanoparticulaire permettant l’exaltation de la fluorescence dans l’UV. Le métal choisi est l’indium puisque ce dernier fait partie du groupe du bore (Al, Ga, In, Tl) et que ceux-ci sont caractérisés par de faibles pertes par absorption, mais également pour leur forte bande plasmonique vers 300 nm. L’indium possède donc toutes les qualités requises pour permettre l’exaltation de la fluorescence dans l’UV. Dans ce projet, des nanoparticules sphériques d’indium ont été développées avec une taille modulable entre 60 et 80 nm. Le plasmon de ces nanoparticules se situe vers 310 nm. Par la suite, ces mêmes cœurs d’indium ont été recouverts d’une couche diélectrique protectrice de silice. L’avantage d’une coquille de silice est la facilité avec laquelle l’épaisseur peut en être modifiée. La taille des coquilles synthétisées varie entre 5 et 50 nm. Une fois cette couche synthétisée, différentes avenues ont été envisagées pour le greffage des fluorophores en surface. Le choix final s’est arrêté sur l’incorporation des fluorophores à l’intérieur même d’une couche de silice. Les fluorophores sont préalablement modifiés pour faire en sorte qu’ils se lient de manière covalente à la silice. Le choix des fluorophores principaux s’est arrêté sur le Carbostyril 124, en tant que fluorophore modèle, et sur le tryptophane puisqu’il s’agit de l’acide aminé le plus fluorescent. Des facteurs d’exaltation de fluorescence de l’ordre de 3 et 7 ont respectivement été obtenus pour le Carbostyril 124 et le tryptophane. D’autres tests préliminaires ont également été menés sur les autres acides aminés, la tyrosine et la phénylalanine, ainsi que sur l’ADN. / Until recently, most of the work done on metal-enhanced fluorescence of molecular fluorophores employed silver and gold nanoparticles as the substrate. However, these metals are not perfectly suit for fluorescence enhancement in the UV region of the spectrum as their maximum plasmonic bands are centered at approximately 400 nm and 530 nm for silver and gold, respectively. The interest in the UV region is mostly due to biomedical studies as most of the biomolecules absorb and emit in this region. In this project, the focus is on DNA, which is fluorescent via the nucleobases, en even more so on proteins which owe their intrinsic fluorescence to the three aromatic amino acids, tryptophan, tyrosine and phenylalanine. The main goal of this project is to develop a nanostructure able to support metal-enhanced fluorescence in the UV. Indium seems to be the perfect metal to work with as it is part of the boron group (Al, Ga, In, Tl) which is characterized by low absorption losses, but also by its strong plasmonic band centered at approximately 300 nm making it suitable for metal-enhanced fluorescence studies in the UV. In this project, indium nanoparticles with a size ranging from 60 to 80 nm were developed with a plasmon approximately centered at 310 nm. Then, a protective dielectric layer of silica was synthesized on the indium core. The thickness of the silica layer is easily tunable; it is used to find the optimal distance to observe a maximal fluorescence enhancement. Silica shells between 5 and 50 nm were used. Different strategies were considered for the grafting of the fluorophores on the surface of indium-silica nanoparticles. Incorporation of the fluorophore into a silica layer was chosen as it allows for covalent bonding between the fluorophore and the silica layer. Two different fluorophores were used. The first one is Carbostyril 124, acting as a model fluorophore, and the second one is tryptophan as it is the most fluorescent amino acid. Enhancement factors of up to 3 and 7 were obtained for Carbostyril 124 and tryptophan, respectively. Others preliminary tests have been made on tyrosine and phenylalanine, the two other fluorescent amino acids, and on DNA.

En raison de leur petite taille, les nanomatériaux présentent des propriétés différentes par rapport à leur homologue à l’échelle macroscopique. Une oscillation collective des électrons de conduction, le plasmon, est observée lorsqu’une nanoparticule métallique (par exemple: Ag, Au, In, Cu) est irradiée à une fréquence spécifique. Dans le cadre de ces travaux de maîtrise, la conception de deux types de capteurs utilisant la plasmonique a été accomplie. Le premier capteur aura pour but de détecter des complexes immuns alors que le second aura pour but de détecter de subtiles variations chimiques. Il est possible d’utiliser la plasmonique pour étudier les variations d’indice de réfraction. La reconnaissance spécifique d’un antigène par un anticorps greffé sur une nanoparticule métallique induit un changement d’indice de réfraction local, affectant ainsi la fréquence du plasmon qui peut être mesurée en spectrophotométrie. Au cours de ce projet de maîtrise, un substrat lamellaire supportant des nanocubes d’argent immobilisés par un film de polydopamine a été préparé pour la détection rapide des complexes immuns. La répétabilité, la sélectivité et la sensibilité de ce biocapteur ont été étudiées. En raison de sa sensibilité et rapidité de mesure, ce type de substrat pourrait devenir un outil intéressant pour contrer la fraude alimentaire. En plus de pouvoir sonder le milieu environnant, les nanoparticules plasmoniques peuvent augmenter la fluorescence intrinsèque de fluorophores positionnés à proximité, ce qui a pour avantages d’augmenter la sensibilité du signal analytique et d’améliorer la photostabilité du fluorophore. La deuxième partie de cette maîtrise porte sur la conception d’une fibre optique supportant des nanoparticules fluorescentes dans le but de détecter de faibles variations chimiques dans un réseau synaptique. Pour ce faire, une nanoarchitecture plasmonique ionosensible a été développée, puis greffée au bout d’une fibre optique. Finalement, une preuve de concept a pu être réalisée afin de montrer l’efficacité et l’applicabilité de ces capteurs fibrés / Due to their relatively small size, nanomaterials display properties different from bulk material. The collective oscillation of conduction electrons, called plasmon, is observed when a metallic nanoparticle (e.g. Ag, Au, In, Cu) is irradiated at a specific wavelength. In this research project, two sensors based on plasmonic properties have been developed and characterized. The first one aims to detect immunocomplexes, while the other one aims at detecting subtle chemical variations. The first sensor will use plasmonics to detect refractive index variations. Specific recognition of an antigen by its corresponding antibody induces a local refractive index and thus affects the plasmon’s frequency, which is measured using spectrophotometry. Throughout this project, a lamellar substrate supporting silver nanocubes coated with a thin film of polydopamine has been prepared for the rapid detection of immunocomplexes. Properties such as repeatability, selectivity, and sensitivity have also been studied. Due to its sensitivity and speed of measurement, this type of substrate could become an interesting tool to fight meat fraud. In addition to being able to detect the surrounding environment, plasmonic nanoparticles can increase the intrinsic fluorescence of a fluorophore positioned nearby, which increases the intensity of the analytical signal and improves the fluorophore’s photostability. The second part of the project will focus on the conception of a fiber optic probe supporting fluorescent nanoparticles in order to detect small chemical variations in synaptic networks. For this purpose, an ionosensitive plasmonic nanoarchitecture has been developed and grafted to the end of a fiber optic. Finally, a proof of concept was done to show the efficiency and applicability of these fibered sensors.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / Pour bénéficier de la grande sensibilité de la spectroscopic de fluorescence, l'emploi de marqueurs luminescents stables et brillants est nécessaire. Cependant, les fluorophores organiques les plus couramment utilisés souffrent de certaines limitations importantes (hydrophobicité, extinction collisionnelle en milieu aqueux, faible rendement quantique de fluorescence, faible résistance à la photodégradation). À cet égard, le phénomène d'exaltation plasmonique de la fluorescence, soit, le couplage entre les plasmons de surface de nanostructures métalliques et les fluorophores à proximité, représente une technologie puissante pour surmonter ces limitations et augmenter la sensibilité de détection des différentes applications biologiques de ses fluorophores. Dans cette thèse, nous avons développé des nanosondes composées d'un noyau métallique recouvert d'une matrice de silice contenant le(s) fluorophore(s) d'intérêt(s) (Figure 1.13). Dans de tels systèmes, le noyau métallique manifeste une forte résonance plasmonique dont l'interaction avec les molécules fluorescentes environnantes améliore considérablement l'efficacité d'excitation et le taux d'émission radiatif. Par ailleurs, la réduction de la durée de vie de l'état excité du fluorophore qui s'ensuit est responsable de l'augmentation de la photostabilité et de la détectabilité. En outre, la coquille de silice protège les fluorophores contre la désactivation collisionnelle et peut être aisément fonctionnalisée avec des biomolécules cibles ou des fluorophores et former des complexes électrostatiques avec des molécules chargées. Enfin, l'exaltation plasmonique permet d'améliorer l'efficacité, le taux de transfert et la portée du transfert d'énergie par résonance de type Fôrster (FRET) au sein de la nanoparticule en augmentant la force des interactions donneur-accepteur. Tout cela peut conduire à l'excitation par un seul donneur de plusieurs accepteurs sur des distances dépassant la portée normale du FRET. Ces nanoparticules multicouches de type coeur-coquille présentent de nombreuses caractéristiques requises pour l'obtention d'une sonde fluorescente idéale, ce qui a été démontré avec succès avec l'utilisation de ces nanosondes pour la détection ultrasensible et spécifique de faibles quantités d'ADN en solution, sans aucun marquage ou amplification enzymatique des acides nucléiques.

Theoretical and experimental plasmonics is a growing field as a method to create near fields at sub-wavelength distances. In this thesis, a finite-difference time-domain method is used to simulate electromagnetic waves onto a thin film that present of nickel nanorods with sharp apexes. The absorbed, transmitted, and reflected fields were shown to depend linearly on silver film thickness and nanotip length. The electric field is visualized along the tip to show strong charge density along the base of the tip’s apex and how that density changes for wavelength, metal, and source tilt. Lastly, the study shows gold film on the nanotip apex provides the largest enhancement of the electric field for the wavelengths 532, 572, and 633 nm.

La surface d’un matériau exposé à une irradiation laser à une fluence proche de son seuil d'ablation laisse apparaître des structures périodiques LIPSS (Laser Induced Periodic Surface Structure) d’orientation dépendant de la polarisation de faisceau incident et dont la période est de l'ordre de la longueur d'onde. Les causes de ce phénomène qui suscite l'attention des chercheurs depuis plus d’une trentaine d’années sont maintenant bien connues. Cependant, son étude dans le cadre de l'utilisation récente de lasers à impulsions ultra-brèves fait surgir de nouvelles interrogations et relance l'intérêt pour le sujet. Ce travail est consacré à l’étude dynamique de la formation des nanostructures sur une surface métallique suite à une interaction laser femtoseconde. Nous nous intéressons aux mécanismes responsables de la formation de ces structures et nous proposons des explications permettant de comprendre leur origine. Dans le premier chapitre on présente une étude de l’état de l’art sur la formation des LIPSS, on y aborde les paramètres influant sur la formation de ces structures ainsi que les différents modèles explicatifs élaborés par les chercheurs. Ce chapitre traite également de l’interaction laser matière et de ses différents processus. Le deuxième chapitre met l’accent sur les dispositifs expérimentaux réalisés dans ce cadre. Le troisième chapitre présente, quant à lui une étude expérimentale permettant de rendre compte du rôle de l’excitation du plasmon de surface dans la formation de LIPSS. Dans le quatrième chapitre on analyse les résultats relatifs à l’influence du couplage électron phonon sur la formation des LIPSS. Enfin, le cinquième et dernier chapitre met en évidence le rôle de la relaxation électron-phonon sur la formation des LIPSS à l’aide d’une expérience pompe-sonde / When a material is irradiated with laser fluency close to its ablation threshold, periodic surface structures LIPSS (Laser Induced Periodic Surface Structure) appears on its surface. These structures are dependent of the polarization vector of incident electric field and their periods are close to the laser wavelength. They have been extensively studied for more than thirty years, and their origins are quite well understood. However, the recent use of ultra-short laser sources has renewed the subject. Present work is dedicated to the dynamics study of the nanostructures formation on a metal surface by femtosecond laser irradiation. We are interested in mechanisms responsible for the formation of these structures and we propose an explanation of their origin. The first chapter presents a literature review on the formation of LIPSS. Here, the parameters affecting the formation of these structures as well as a different models developed by researchers will be discussed. This chapter also addresses the laser material interaction and its processes. The second chapter focuses on the experimental devices used in this context. The third chapter deals with the experimental study concerning the role of excitation of surface plasmon in the formation of LIPSS. In the fourth chapter, the results on the influence of electron phonon coupling on the formation of LIPSS are analyzed. Finally, the last chapter highlights the role of electron-phonon relaxation on the formation of LIPSS using pump-probe experiments

Dans la gamme de fréquence térahertz (THz), les sources et les détecteurs couramment utilisés en optique et en électronique présentent une chute de performances. Mon travail de thèse s’inscrit dans le cadre de la recherche de composants THz peu onéreux, compacts, accordables en fréquence et facile à intégrer. Le premier volet de mon travail de thèse concerne la détection THz et met à profit le couplage entre une onde incidente THz et des plasmons d’un gaz bidimensionnel d’électrons (2DEG) via des réseaux métalliques déposés au-dessus d’hétérostructures. Quatre puits quantiques à base de semi-conducteurs III/V(AlGaN/GaN, AlGaAs/GaAs, InAlN/GaN) et IV/IV (SiGe/Si/SiGe) ont été étudiés. Parmi les hétérostructures envisagées, celles réalisées à partir de matériaux III-N présentent les plus fortes résonances. Des mesures de spectre de transmission ont été effectuées avec un spectromètre à transformée de Fourier (FTIR) à température ambiante et cryogénique. Les modélisations numériques sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Une étude sur l’influence de la distribution homogène ou inhomogène du gaz d’électrons 2D est présentée. Le deuxième volet de la thèse concerne l’optimisation de la transmission THz. Les performances (dipsersions et les pertes) des guides d'onde planaires sont mal connues au THz. Nous avons choisi d’étudier des guides d’onde couramment utilisés en hyperfréquence. Dans un premier temps, la dispersion et les pertes (rayonnement, conduction et diélectrique) de lignes coplanaires (CPW) sur substrat polymère (BCB = benzocyclobutène) et substrat semiconducteur (InP) obtenues grâce à des modélisations numériques (Ansoft HFSS) entre 20 GHz et 1 THz sont présentées. Puis d’autres types de guides ont été envisagés tels que les lignes micro-ruban, à fente et triplaques sur substrat BCB avec HFSS et CST MWS. Leurs performances ont été comparées afin de dégager la structure la plus performante au THz. Des mesures entre 340 et 500 GHz ont pu aussi être réalisées pour les guides CPW. La comparaison avec les données numériques a montré un bon accord. / In the THz frequency gap between electronics and optics, the development of compact, tunable, less costly and room temperature operating sources, detectors, amplifiers and passive devices is growing. Electronic devices based on two dimensional (2D) plasmons in heterostructures open up the possibility of tunable emission and detection of THz radiation. For short distance THz transmission, the increased radiation loss as well as other types of loss (dielectric and ohmic loss) may handicap the applications of conventional planar waveguides well studied in the microwave band. Reevaluation of their propagation properties and comprehension of the physical nature of each kind of loss are necessary.This work is divided into two main sections. The first part deals with the optimization of THz resonant detection by quasi 2D plasmons-polaritons (PP) in the quantum wells (QW) among four heterostructures: III-V (AlGaN/GaN, InAlN/GaN, AlGaAs/GaAs) and IV-IV (SiGe/Si/SiGe). With the aid of metallic grating coupler, both ANSOFT HFSS and an indigenously developed program are used to investigate quantitatively the influences of structural parameters (grating period, metal strip width and thickness of barrier layer) and natural properties of 2D plasmons (electron concentration and mobility) on the PP resonances (frequency and amplitude) up to 5 THz. Transmission spectra of sample AlGaN/GaN have been measured by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) in 0.6-1.8 THz for various metal widths and at different temperatures to compare with the simulated results. At last, two types of modulated 2D electron gas in AlGaAs/GaAs are analyzed. One is the natural electron variation below and between metal fingers due to the difference between the barrier height at the interface metal/semiconductor and Fermi level pinning at the interface air/semiconductor. The other type is the forced modulated 2DEG by biasing voltage on metal fingers. These two parametric studies allow us to analyze and tune the frequency and amplitude of the THz detection. The second part separately studies the dispersions and attenuations of four waveguides (CPW, Microstrip, Stripline and Slotline) with the variation of geometric dimensions and properties of dielectric and metal by ANSOFT HFSS and CST MWS. Their performances are compared until 1 THz based on the same characteristic impedance. The advantages and the limitations of each waveguide are outlined and an optimal THz transmission line is proposed. Furthermore, preliminary measured attenuation of CPW in the frequency range 340-500 GHz are demonstrated and compared with numerical results. The design of transitions for adapting experimental probes by HFSS and the de-embedding method for extracting scattering and attenuation parameters of CPW by ADS are also presented..