Ce travail de thèse porte sur l'étude expérimentale de structures à plasmons Tamm actives, composées d'une couche d'argent déposée sur un miroir de Bragg semiconduc­ teur AlGaAs/GaAs contenant des puits quantiques InGaAs. Après une description des modes Tamm et de leurs propriétés planaires, nous nous sommes intéressés plus parti­ culièrement aux structures à plasmons Tamm confinés par un micro-disque de métal. Des mesures de photoluminescence ont permis de mettre en évidence un effet laser dans ces structures. Une étude approfondie a montré une évolution du seuil laser en fonction du diamètre du disque, résultant d'un compromis entre confinement et pertes. Dans un second temps, nous avons étudié la réponse optique de structures à plasmon Tamm asy­ métriques, où le plasmon Tamm est confiné par des micro-rectangles. Cette asymétrie lève la dégénérescence en énergie qui existe entre les deux modes linéairement polarisés de la structure. Ceci, associé à un fort désaccord spectral entre l'émission des puits et le plasmon Tamm, permet d'obtenir une émission laser linéairement polarisée . Enfin, nous présentons l'étude d'une structure à plasmon Tamm comportant un réseau permettant le couplage du plasmon Tamm au plasmon de surface de l'interface air/argent. Grâce à des mesures tirant parti de l'aspect propagatif des modes, nous avons mis en évidence un battement entre plasmon Tamm et plasmon de surface / This thesis focuses on the experimental study of actives Tamm plasmons structures, consisting in a layer of silver deposited on a AlGaAs/GaAs semiconductor Bragg mir­ ror which con.tains InGaAs quantum wells. After describing Tamm planar modes and their properties, we focused particularly on structures where Tamm plasmons are la­ terally confined by a metallic micro-disk. Photoluminescence measurements have been carried out in order to demonstrate lasing in these structures. A comprehensive study has shown a change in the lasing threshold with the diameter of the disk, resulting from a compromise between the confinement and the lasses. Secondly, we studied the optical response of asymmetric Tamm plasmon structures, where the Tamm plasmon is confined by micro-rectangles. This asymmetry lifts the degeneracy of energy between the two linearly polarized modes of the structure. Combined with a strong spectral de­ tuning between the quantum wells emission and the Tamm plasmon, this allows linearly polarized laser emission to set-up. Finally, we present the study of a Tamm plasmon structure comprising a gratting to couple the Tamm plasmon to the surface plasmon at the silver/air interface. Thanks to propagation measurements, we have highlighted the beating between Tamm plasmon and surface plasmon modes

Dans cette thèse nous étudions les propriétés d'ondes stationnaires dans des structures composées d'une couche diélectrique nonlinéaire de type Kerr et des couches métalliques et diélectriques linéaires. Nous élaborons différents modèles pour étudier les propriétées de plasmons-solitons dans deux types de structures : (i) une région diélectrique nonlinéaire semi-infinie, des couches de métal et de diélectrique linéaires et (ii) une couche de diélectrique nonlinéaire d'épaisseur finie entre deux régions métalliques (guide d'onde métallique à coeur nonlinéaire). Pour le premier type de structures, nous montrons qu'en utilisant une structure à quatre couches, il est possible d'obtenir des plasmons-solitons de basses puissance. Pour des guides d'onde métalliques à coeur nonlinéaire, nous trouvons de modes d'ordres supérieurs. Pour certains des modes symétriques, nous observons une bifurcation par brisure de symétrie donnant naissance à des modes asymétriques dans une structure symétrique. / In this PhD thesis, we study the properties of stationary transverse magnetic polarized waves in structures composed of a Kerr-type nonlinear dielectric layer, metal and linear dielectric layers. We develop several models to study the properties of plasmon-soliton waves in two types of structures: a semi-infinite nonlinear dielectric in contact with metal and linear dielectric layers and a finite-size nonlinear dielectric layer sandwiched between two metal regions (nonlinear slot waveguide). Our models allow us to compute the nonlinear dispersion relations and the corresponding field profiles. For the first type of structure, we prove that using the four-layer structures that we propose, it is possible to obtain plasmon-soliton waves at the power levels. For nonlinear slot waveguide structures, we discover the existence of new, higher order modes. For some of the symmetric modes, we observe a symmetry breaking bifurcation giving birth to asymmetric modes in symmetric structure.

The objective of this study is to examine core-shell type plasmonic metamaterials aimed at the development of materials with unique electromagnetic properties. The building blocks of metamaterials under study consist of gold as a metal component, and silica and precipitated calcium carbonate (PCC) as the dielectric media. The results of this study demonstrate important applications of the core-shells including scattering suppression, airborne obscurants made of fractal gold shells, photomodification of the fractal structure providing windows of transparency, and plasmonics core-shell with a gain shell as an active device. Plasmonic resonances of the metallic shells depend on their nanostructure and geometry of the core, which can be optimized for the broadband extinction. Significant extinction from the visible to mid-infrared makes fractal shells very attractive as bandpass filters and aerosolized obscurants. In contrast to the planar fractal films, where the absorption and reflection equally contribute to the extinction, the shells' extinction is caused mainly by the absorption. This work shows that the Mie scattering resonance of a silica core with 780 nm diameter at 560 nm is suppressed by 75% and only partially substituted by the absorption in the shell so that the total transmission is noticeably increased. Effective medium theory supports our experiments and indicates that light goes mostly through the epsilon-near-zero shell with approximately wavelength independent absorption rate. Broadband extinction in fractal shells allows as well for a laser photoburning of holes in the extinction spectra and consequently windows of transparency in a controlled manner. Au fractal nanostructures grown on PCC flakes provide the highest mass normalized extinction, up to 3 m^2/g, which has been demonstrated in the broad spectral range. In the nanoplasmonic field active devices consist of a Au nanoparticle that acts as a cavity and the dye molecules attached to it via thin silica shell as the active medium. Such kind of devices is considered as a nano-laser or nano-amplifier. The fabricated nanolasers were studied for their photoluminescence kinetic properties. It is shown that the cooperative effects due to the coupling of dye molecules via Au nanoparticle plasmons result in bi-exponential emission decay characteristics in accord with theory predictions. These bi-exponential decays involve a fast superradiant decay, which is followed by a slow subradiant decay. To summarize, this work shows new attractive properties of core-shell nanoparticles. Fractal Au shells on silica cores prove to be a good scattering suppressor and a band pass filter in a broadband spectral range. They can also be used as an obscurant when PCC is used as the core material. Finally, gold nanoparticles coated with silica with dye results in bi-exponential decays.

Το αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η ανάπτυξη νέων υλικών για σύγχρονες τεχνολογικές εφαρμογές. Για αυτό τον λόγο, επιλέχτηκε κατ’ αρχήν να αναπτυχθεί μια καινούρια και ταυτόχρονα πρωτότυπη διαδικασία παρασκευής νανοσωματιδίων. Για το σκοπό αυτό σχεδιάστηκε και ανακατασκευάστηκε εξ’ αρχής μια υπάρχουσα συσκευή sputtering, εφαρμόζοντας νέες τεχνικές και διατάξεις για την εναπόθεση των λεπτών και υπέρλεπτων υμενίων χρυσού σε διαφορετικές θερμοκρασίες υποστρώματος. Παρασκευάστηκαν δείγματα σε κρυογενικές θερμοκρασίες εναπόθεσης (-195 oC) έως και σε υψηλές Θερμοκρασίες των 450 oC. Παράλληλα πραγματοποιήθηκε και σύγκριση με μια σειρά δειγμάτων λεπτών υμενίου χρυσού με θερμική ανόπτηση μετά την εναπόθεση έως τους 800 oC. Αφού μελετήθηκε ο τρόπος ανάπτυξης των υμενίων του χρυσού με αυτές τις τεχνικές, και χαρακτηρίστηκαν τα λεπτά υμένια με διαφόρους τρόπους, επιλέχθηκε η πιο αποδοτική από μορφολογικής άποψης μέθοδος, για την παρασκευή νανοσωματιδίων χρυσού. Έτσι παρασκευάστηκαν υπέρλεπτα υμένια χρυσού, κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες. Αυτά τα δείγματα έδωσαν νανοσωματίδια χρυσού της τάξεως των μερικών νανομέτρων, ικανά να δώσουν βάση των φασμάτων απορρόφησης, επιφανειακούς πλασμονικούς συντονισμούς σε διάφορα μήκη κύματος από τα 2 - 2,5 eV ανάλογα με το μέγεθος των νανοσωματιδίων που καθορίζουμε από τις συνθήκες του πειράματος. Στην συνέχεια παρασκευάστηκαν αντίστοιχα δείγματα από ένα νέο σύγχρονο υλικό, που αποτελείται από χρυσό, γερμάνιο και άργυρο. Χρησιμοποιώντας την ίδια διάταξη παρασκευάστηκαν αντίστοιχα υπέρλεπτα υμένια, στα οποία ανιχνεύτηκαν υβριδικά νανοσωματίδια χρυσού – αργύρου σε αναλογίες 1:1, προστατευμένα από μια άμορφη υαλώδη μήτρα οξειδίου του γερμανίου. Τέλος, κατά τον οπτικό χαρακτηρισμό των δειγμάτων αυτών και διαπιστώθηκε από τα φάσματα απορρόφησης συνδυασμένος επιφανειακός πλασμονικός συντονισμός. Τέλος, τα μεταλλικά και τα ημιαγώγιμα υπέρλεπτα υμένια έχουν τεράστια σημασία σε διάφορους τομείς της επιστήμης των υλικών και της νανοτεχνολογίας. Έτσι, η πρωτότυπη πειραματική διάταξη που αναπτύχτηκε είναι ενδιαφέρουσα για την παρασκευή μιας πληθώρας νάνο-ηλεκτρομηχανικών και οπτοηλεκτρονικών συστημάτων βασισμένα σε διάφορα σύγχρονα υλικά. / The objective of this Thesis is to develop new high – Tech materials for modern technological applications. For this reason, we have chosen in principle to develop a new prototype manufacturing process for growth of nanoparticles. For this purpose we designed and rebuilt from the beginning an existing D.C. sputtering apparatus to apply new techniques and devices for the deposition of thin and ultrathin films of gold at various substrate temperatures. We prepared samples at cryogenic temperatures deposition (-195 oC) up to a high temperature of 450 oC. The results were compared with a series of samples of thin gold films post annealed up to 800 oC. After studying the growth modes of thin gold films with these techniques, and characterize thin films in different ways, we chose the most efficient method from morphological point of view, for the optimum preparation of gold nanoparticles. So we proceeded to the deposition of ultrathin gold films, under certain conditions. These samples gave us gold nanoparticles in the range of a few nanometers, able to give us surface plasmon resonances at different wavelengths from 2 - 2,5 eV depending on the size of nanoparticles. Then samples were prepared respectively from a modern new target material consisting of gold, germanium and silver. Using the same configuration we were able to prepare ultrathin films. These films were found to consist of Au-Ag nanoparticles self-organized in an amorphous GeOx matrix. Finally, we proceeded to the optical characterization of these samples and found on the absorption spectra combined surface plasmon resonances. Finally, the metal and the semiconductor ultrathin films are crucial in various fields of materials science and nanotechnology. Thus, the original experimental setup which was developed is useful in order to prepare a multitude of nano - electromechanical and optoelectronic systems based on various modern materials.

Ce manuscrit s'inscrit dans le contexte du contrôle de la propagation des plasmons de surface. A cet effet, des nanostructures diélectriques et métalliques ont été conçues et caractérisées par microscopie à champ de fuite dans les espaces réels et réciproques. La manipulation des plasmons de surface à l'aide de lentilles diélectriques et d' éléments à gradient d'indice est présentée, et la réfraction négative, la direction et l'auto-collimation des plasmons de surface dans des cristaux plasmoniques à une ou deux dimensions sont démontrées. Ces résultats ont été utilisés pour le guidage de nanoparticules à l'aide de forces optiques, ainsi que pour deux méthodes permettant de renforcer le facteur de mérite de sondes plasmoniques de variation d'indice de réfraction, basées l' une sur les résonances de Fano naturelles de la microscopie à champ de fuite, et pour la seconde sur les structures des bandes plasmoniques anisotropes. / In this thesis devices for controlling the flow of surface plasmon polaritons are described. Dielectric and metallic nanostructures were designed for this purpose, and characterized by leakage radiation microscopy in real and in reciprocal spaces. Manipulation of surface plasmons by dielectric lenses and gradient index elements is presented, and negative refraction, steering and self-collimation of surface plasmons in one- and two-dimensional plasmonic crystals is demonstrated. The achieved degree of control was applied for routing of nanoparticles by optical forces, as well as for two methods of enhancing the figures of merit of plasmonic refractive index sensors, based on the one hand on Fano resonances natural to leakage radiation microscopy, and on the other hand on anisotropie plasmonic bandstructures.

Manipulating light by controlling surface plasmons on metals is being discussed as a means for bridging the size gap between micrometer-sized photonic circuits and nanometer-sized integrated electronics. Plasmonic waveguides based on metal nanoparticles are of particular interest for circumventing the diffraction limit, thereby enabling high-speed communication over short-range distances in miniaturized micro-components. However, scalable, inexpensive fine-tuning of particle assemblies remains a challenge and near-field probing is required to reveal plasmonic interactions. In this thesis, self-assembled waveguides should be produced on DNA scaffolds. DNA origami is an extremely versatile and robust self-assembly method which allows scalable production of nanostructures with a fine control of assemblies at the nanoscale. To form the plasmonic waveguides, six-helix bundle DNA origami nanotubes are used as templates for attachment of highly monodisperse and monocrystalline gold nanoparticles with an inter-particle distance of 1-2 nm. In the first part of this thesis, the effects of parameters which are involved in assembly reactions are systematically investigated. The assembly yield and binding occupancy of the gold nanoparticles are determined by an automated, high-throughput image analysis of electron micrographs of the formed complexes. As a result, unprecedented binding site occupancy and assembly yield are achieved with the optimized synthesis protocol. In addition, waveguides with different sizes of gold nanoparticles and different inter-particle distances, quantum dots attachments to the waveguides and multimerization of the waveguides are successfully realized. In the second part of this thesis, direct observation of energy transport through a self-assembled waveguide towards a fluorescent nanodiamond is demonstrated. High-resolution, near-field mapping of the waveguides are studied by electron energy loss spectroscopy and cathodoluminescence imaging spectroscopy. The experimental and simulation results reveal that energy propagation through the waveguides is enabled by coupled surface plasmon modes. These surface plasmon modes are probed at high spatial and spectral resolutions. The scalable self-assembly approach presented here will enable the construction of complex, sub diffraction plasmonic devices for applications in high-speed optical data transmission, quantum information technology, and sensing. / Die Manipulation des Lichts durch die Kontrolle von Oberflächenplasmonen auf metallischen Oberflächen und Nanopartikeln gilt als vielversprechende Methode zur Überbrückung der Größen-Lücke zwischen Mikrometer-großen photonischen und nanometer-großen elektronischen Schaltkreisen. Plasmonische Wellenleiter basierend auf metallischen Nanopartikeln sind vom besonderen Interesse, da sie die Umgehung des Beugungslimits und somit eine Hochgeschwindigkeitskommunikation über kurze Distanzen in immer kleiner werdenden Schaltkreisen ermöglichen könnten. Allerdings ist die skalierbare und kostengünstige Anordnung von Partikeln eine große Herausforderung und es werden Nahfelduntersuchungen benötigt um plasmonische Interaktionen detektieren zu können. Das Ziel dieser Arbeit ist die Selbstassemblierung von multi-partikel Wellenleitern auf DNA Gerüsten. Die Verwendung von DNA-Origami bietet eine äußerst vielseitige Plattform zur skalierbaren Herstellung von Nanostrukturen mittels Selbstassemblierung und ermöglicht eine präzise Kontrolle der Anordnungen im Nanobereich. Für den Aufbau der plasmonischen Wellenleiter werden DNA-Origami Nanoröhren, bestehend aus sechs Helices als Templat für die Anbindung von monodispersen und monokristallinen Goldnanopartikeln mit einem interpartikulären Abstand von 1-2 nm verwendet. Im ersten Abschnitt dieser Arbeit werden die beeinflussenden Faktoren dieser Assemblierungsreaktion systematisch untersucht. Die Ausbeute der assemblierten Strukturen und die Besetzung der Bindungsstellen werden durch eine automatisierte und effiziente Bildanalyse von Elektronenmikroskopieaufnahmen ausgewertet. Durch die Entwicklung eines optimierten Syntheseprotokolls werden bisher unerreichte Assemblierungsausbeuten ermöglicht. Zusätzlich erfolgen die experimentelle Realisierung von Strukturen mit verschieden großen Goldnanopartikeln und unterschiedlichen interpartikulären Abständen, sowie die Anbindung von Quantenpunkten an die Wellenleiter und eine Verknüpfung der assemblierten Strukturen. Der zweite Abschnitt dieser Dissertation befasst sich mit der Untersuchung des Energietransports in selbstassemblierten Wellenleitern über einen fluoreszierenden Nanodiamanten. Dazu erfolgen hochaufgelöste Nahfeldmessungen der Wellenleiter mittels Elektronenenergieverlustspektroskopie und Kathodolumineszenz-mikroskopie. Die experimentellen Ergebnisse und zusätzlich durchgeführte Simulationen bestätigen eine durch gekoppelte Oberflächenplasmonenmoden induzierte Weitergabe der Energie innerhalb des Wellenleiters. Diese Oberflächenplasmonenmoden werden bei hoher räumlicher und spektraler Auflösung untersucht. Das hier umgesetzte Konzept der Selbstassemblierung wird den Aufbau komplexer plasmonischer Geräte für Anwendungen im Bereich der optischen Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung, der Quanteninformations-technolgie und der Sensorik ermöglichen.

Manipulating light by controlling surface plasmons on metals is being discussed as a means for bridging the size gap between micrometer-sized photonic circuits and nanometer-sized integrated electronics. Plasmonic waveguides based on metal nanoparticles are of particular interest for circumventing the diffraction limit, thereby enabling high-speed communication over short-range distances in miniaturized micro-components. However, scalable, inexpensive fine-tuning of particle assemblies remains a challenge and near-field probing is required to reveal plasmonic interactions. In this thesis, self-assembled waveguides should be produced on DNA scaffolds. DNA origami is an extremely versatile and robust self-assembly method which allows scalable production of nanostructures with a fine control of assemblies at the nanoscale. To form the plasmonic waveguides, six-helix bundle DNA origami nanotubes are used as templates for attachment of highly monodisperse and monocrystalline gold nanoparticles with an inter-particle distance of 1-2 nm. In the first part of this thesis, the effects of parameters which are involved in assembly reactions are systematically investigated. The assembly yield and binding occupancy of the gold nanoparticles are determined by an automated, high-throughput image analysis of electron micrographs of the formed complexes. As a result, unprecedented binding site occupancy and assembly yield are achieved with the optimized synthesis protocol. In addition, waveguides with different sizes of gold nanoparticles and different inter-particle distances, quantum dots attachments to the waveguides and multimerization of the waveguides are successfully realized. In the second part of this thesis, direct observation of energy transport through a self-assembled waveguide towards a fluorescent nanodiamond is demonstrated. High-resolution, near-field mapping of the waveguides are studied by electron energy loss spectroscopy and cathodoluminescence imaging spectroscopy. The experimental and simulation results reveal that energy propagation through the waveguides is enabled by coupled surface plasmon modes. These surface plasmon modes are probed at high spatial and spectral resolutions. The scalable self-assembly approach presented here will enable the construction of complex, sub diffraction plasmonic devices for applications in high-speed optical data transmission, quantum information technology, and sensing. / Die Manipulation des Lichts durch die Kontrolle von Oberflächenplasmonen auf metallischen Oberflächen und Nanopartikeln gilt als vielversprechende Methode zur Überbrückung der Größen-Lücke zwischen Mikrometer-großen photonischen und nanometer-großen elektronischen Schaltkreisen. Plasmonische Wellenleiter basierend auf metallischen Nanopartikeln sind vom besonderen Interesse, da sie die Umgehung des Beugungslimits und somit eine Hochgeschwindigkeitskommunikation über kurze Distanzen in immer kleiner werdenden Schaltkreisen ermöglichen könnten. Allerdings ist die skalierbare und kostengünstige Anordnung von Partikeln eine große Herausforderung und es werden Nahfelduntersuchungen benötigt um plasmonische Interaktionen detektieren zu können. Das Ziel dieser Arbeit ist die Selbstassemblierung von multi-partikel Wellenleitern auf DNA Gerüsten. Die Verwendung von DNA-Origami bietet eine äußerst vielseitige Plattform zur skalierbaren Herstellung von Nanostrukturen mittels Selbstassemblierung und ermöglicht eine präzise Kontrolle der Anordnungen im Nanobereich. Für den Aufbau der plasmonischen Wellenleiter werden DNA-Origami Nanoröhren, bestehend aus sechs Helices als Templat für die Anbindung von monodispersen und monokristallinen Goldnanopartikeln mit einem interpartikulären Abstand von 1-2 nm verwendet. Im ersten Abschnitt dieser Arbeit werden die beeinflussenden Faktoren dieser Assemblierungsreaktion systematisch untersucht. Die Ausbeute der assemblierten Strukturen und die Besetzung der Bindungsstellen werden durch eine automatisierte und effiziente Bildanalyse von Elektronenmikroskopieaufnahmen ausgewertet. Durch die Entwicklung eines optimierten Syntheseprotokolls werden bisher unerreichte Assemblierungsausbeuten ermöglicht. Zusätzlich erfolgen die experimentelle Realisierung von Strukturen mit verschieden großen Goldnanopartikeln und unterschiedlichen interpartikulären Abständen, sowie die Anbindung von Quantenpunkten an die Wellenleiter und eine Verknüpfung der assemblierten Strukturen. Der zweite Abschnitt dieser Dissertation befasst sich mit der Untersuchung des Energietransports in selbstassemblierten Wellenleitern über einen fluoreszierenden Nanodiamanten. Dazu erfolgen hochaufgelöste Nahfeldmessungen der Wellenleiter mittels Elektronenenergieverlustspektroskopie und Kathodolumineszenz-mikroskopie. Die experimentellen Ergebnisse und zusätzlich durchgeführte Simulationen bestätigen eine durch gekoppelte Oberflächenplasmonenmoden induzierte Weitergabe der Energie innerhalb des Wellenleiters. Diese Oberflächenplasmonenmoden werden bei hoher räumlicher und spektraler Auflösung untersucht. Das hier umgesetzte Konzept der Selbstassemblierung wird den Aufbau komplexer plasmonischer Geräte für Anwendungen im Bereich der optischen Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung, der Quanteninformations-technolgie und der Sensorik ermöglichen.

Gegenstand der Untersuchungen dieser Arbeit ist die analytische und numerische Studie der plasmonischen Eigenschaften vorhanden in Silbernanodrähten von verschiedener horizontaler Geometrie aufgrund verschiedener Modelle der optischen Antwort der Leitungselektronen. Nach einer hierarchischen Anordnung von linearen Volumen-Materialmodellen, welche innerhalb der plasmonischen Literatur genutzt werden, untersuchen wir die Verwicklung von (nicht)lokaler und dispersiver Antwort mit geometrischen Parametern von Monomeren und Dimeren. Unsere analytischen Studien fokussieren sich auf einzelne zylindrische Drähte, wobei wir das Auftreten von Radius-abhängiger Dämpfung in lokalisierten Oberflächenplasmonen nachweisen, ähnlich dem Konzept der begrenzten mittleren freien Weglänge diskutiert von Kreibig und Mitarbeitern. Weiterhin wird ein Streuproblem mit transversaler Nichtlokalität und "No-slip"- Randbedingung gelöst, gefolgt von einer Diskussion einer Randbedingung, welche zwischen “No-Slip”- und “Slip”-Bedinung interpoliert. Aus numerischer Sicht wird die Streuung an abgerundeten und gleichseitigen dreieckigen und Bowtie-Drähten behandelt mit Fokus auf einer vollanalytischen Beschreibung der Eckenrundung mittels Bézier- Kurven. Dies enthüllt den Krümmungsradius als neuen geometrischen Parameter. Das Variieren der Lückenbreite und Eckenrundung führt zu Verstärkungsfaktoren, welche relevant für oberflächenverstärkte Raman-Streuung einzelner Moleküle sind, in ausgezeichneten räumlichen Bereichen abhängig von der Art der Resonanz. Innerhalb der Extinktionsspektren von dreieckigen und Bowtie-Drähten erscheint eine Sequenz von nichtlokalen Maxima. Diese Sequenz ist am sensitivsten in Bezug auf die Änderung der Krümmung. Die Identifikation der (Hybrid-)Resonanzen basiert auf simulierten Ladungsdichteverteilungen. / Subject of this thesis is the analytical and numerical study of the plasmonic properties present in silver nanowires of different horizontal geometries due to different models of optical response of conduction electrons. Following a hierarchical arrangement of linear bulk material models, used throughout the plasmonic literature, we investigate the intertwining of (non)local and dispersive response with geometrical parameters of monomers and dimers. Our analytical studies focus on single cylindrical wires, revealing the occurrence of radius-dependent damping of localized surface plasmons similar to the concept of limited-mean-free-path discussed by Kreibig and coworkers. Further, a scattering problem with transverse nonlocality and s no-slip condition is solved followed by a discussion of a boundary condition interpolating between the slip and no-slip conditions. On a numerical level, the scattering by rounded and equilateral triangular and bowtie nanowires is treated based on a full analytical description of the corner rounding via Bézier curves revealing the radius of curvature as a new geometrical degree of freedom. Tuning of gap size and corner rounding reveals enhancement factors relevant for surface-enhanced Raman scattering of single molecules in distinguished spatial domains dependent on the type of resonance. Within the extinction spectra a nonlocal peak sequence emerges. This sequence is most sensitive to curvature variations and arises in the triangular monomer and bowtie dimer. The identification of (hybrid) resonances is based on charge density simulations.

Ce travail de thèse se focalise sur le couplage du microscope à force atomique haute–vitesse (HS-AFM) et de la spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS) pour la détection des biomolécules. Nous avons élaboré un protocole de fabrication pour produire les substrats “SERS-actifs”. L’efficacité des substrats de nanoparticules cristalline d’or, d’argent ou bimétallique argent–or a été évaluée. Nous avons étudié l’impact des propriétés optiques et morphologiques des substrats sur l’intensité Raman en analysant des échantillons tests tels que la bipyridine éthylène et le bleu de méthylène. Nous nous sommes interessés à trois problematiques biologiques distinctes par analyses HS-AFM et SERS. Dans un premier cas, nous avons détecté la signature chimique de protéine cytochrome b5. Ce travail a été suivi par des études sur le changement de conformation de la protéine de choc thermique leuconostoc oenos Lo 18 en fonction de la concentration et du pH. La dernière application consiste en l’analyse des interactions membrane – virus. Afin de réaliser les analyses simultanées Raman/AFM, nous avons adapté notre protocole de fabrication pour couvrir la surface des pointes AFM commerciales par des nanoparticules d’or cristallines. Les études de diffusion Raman exaltée par effet de pointe (TERS) ont été effectuées sur les échantillons de disulfure de molybdène pour évaluer la qualité des pointes TERS. Pour finir, nous présentons une nouvelle configuration de couplage HS-AFM et spectroscopie Raman. Nous discutons des modifications et des défis rencontrés. / This thesis focuses on the coupling of High–Speed Atomic Force Microscopy (HS-AFM) and Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) for biomolecule analysis. We have designed a fabrication protocol to manufacture “SERS-active” substrates. The efficacy of gold, silver and gold-silver bimetallic crystalline nanoparticle substrates were evaluated. We have investigated the impact of optical and morphological features of the substrates on Raman signal intensity by analyzing well-known samples such as bipyridine ethylene and methylene blue molecules. We took an interest in three distinct biological problematics with HS-AFM and SERS analyses. First, we have detected the chemical signature of cytochrome b5 protein. This study was followed by the investigation of conformational changes of small heat shock leuconostoc oenos Lo 18 protein in function of pH level and concentrations. The last application consists to the analyse a membrane and a virus interaction. In order to realize simultaneous Raman/AFM analysis, we have adapted our fabrication protocol to cover the surface of commercial AFM probes by crystalline gold nanoparticles. Tip – Enhanced Raman Spectroscopy (TERS) studies were performed on molybdenum disulfide to evaluate the quality of TERS probes. In the last part of this work, we have designed a new setup to combine Ando’s HS-AFM setup with Raman spectroscopy. We present the modifications that have been carried out and the challenges that we have encountered.