Ce document synthétise mes travaux de recherches sur la période 2002-2009. Les axes majeurs de mon activité portent sur le couplage de molécules avec des particules métalliques, supportant des modes plasmons (SPP) : - Microscopie et spectroscopie optiques en champ proche, - Relaxation moléculaire par couplage aux plasmons, en particulier, la possibilité de modifier les propriétés d'émission de molécules par couplage avec des structures métalliques, – Composants plasmoniques pour la photonique intégrée, où, à l'inverse, l'ingéniérie de matériaux optiques (polymères dop´es, non linéaire, . . .) permet de contrôler la propagation de SPPs le long de films métalliques. Finalement, je démontrerai que ces axes peuvent converger vers la notion d'antenne plasmonique, axe que je souhaite d´evelopper dans les prochaines ann´ees. A chaque fois que cela sera possible, je replacerai dans le contexte national ou international mon apport dans ces thématiques.

Grâce à l'amélioration des technologies de fabrication, la nanophotonique, et plus particulièrement les cristaux photoniques (structures périodiques à l'échelle de la longueur d'onde) ont connu un fort développement récemment. Dans ce manuscrit, nous utilisons la microscopie en champ proche optique pour étudier de tels composants.<br />Dans la première partie de ce travail, nous utilisons la sonde locale du microscope pour imager la distribution de la lumière au sein de cavités à cristal photonique réalisées dans un semiconducteur III/V. Nous nous sommes intéressés à expliquer la formation des images optiques en champ proche et à visualiser l'influence de la sonde sur ces images. Ainsi, nous avons pu observer des levées de dégénérescence de mode de cavité et des modes de cavité invisibles en champ lointain. Enfin, pour des cavités à- mode de Bloch, nous avons pu déterminer expérimentalement les courbes de dispersion du cristal photonique.<br />Dans la seconde partie de ce travail, nous utilisons la sonde locale du microscope pour contrôler les propriétés de nanorésonateur formés à partir de cavité à cristal photonique à faible volume modal et grand facteur de qualité. Nous avons étudié l'interaction entre la sonde et le résonateur d'un point de vue théorique et expérimental. Aussi, nous avons pu montrer la complémentarité d'une mesure en mode interaction et en mode collection. De plus, nous avons proposé des fonctionnalités opto-mécaniques en champ proche optique.

Avec l'évolution rapide des techniques de nanofabrication, ces dix dernières années ont vu l'émergence de nouveaux composants pour l'optique dont la caractéristique principale est d'être constitués par la répétition d'un motif périodique de dimension sub-longueur d'onde. Ce travail de thèse est consacré à l'étude en champ proche et en champ lointain de deux familles de composants périodiques : les cristaux photoniques et les réseaux métalliques présentant une transmission exaltée, ou "tamis à photons". Nous commencerons par étudier des cristaux photoniques bidimensionnels sur membrane. Notre microscope en champ proche nous permettra d'accéder à la distribution spatiale de l'intensité à l'intérieur de microcavités à cristal photonique. Nous mettrons également en évidence l'existence d'un couplage entre les modes guidés pair et impair d'un guide droit à cristal photonique. Dans une seconde partie, nous nous intéresserons à des réseaux métalliques en transmission. Grâce à la méthode différentielle, qui permet de modéliser efficacement ces structures, nous discuterons les propriétés physiques de réseaux unidimensionnels avec ou sans ouvertures. Le rôle des modes plasmon-polaritons de Bloch dans le processus de transmission au travers de structures sans ouvertures sera clairement établi.

Ce travail s'inscrit dans le contexte des microscopies optiques à très haute résolution. Nous proposons un nouveau concept de sonde active pour la microscopie optique en champ proche (SNOM), exploitant les effets de génération de second harmonique (SHG) de molécules. L'idée développée vise à s'affranchir de l'une des principales limitations des sondes actives fluorescentes réalisées jusqu'à présent : l'accrochage des sondes à l'extrémité de la pointe SNOM, étape toujours délicate et souvent peu fiable. Pour ce faire, nous avons mis en œuvre une technique qui consiste à utiliser la localisation du champ électrique au sein d'une jonction pointe métallique-substrat conducteur immergée dans une solution de molécules non-linéaires dipolaires. L'interaction champ-molécules entraine l'orientation locale un nano-volume de ces molécules dont l'excitation par un laser permet ensuite la génération d'un signal de second harmonique. Après avoir validé ce concept dit de " nano-EFISHG " (Electric Field Induced SHG) nous avons conçu un nouveau banc expérimental, dédié à l'imagerie de second harmonique haute résolution : celui-ci a permis d'obtenir les premières images présentant un contraste de second harmonique sur un échantillon structuré à l'échelle micronique.Nous avons ensuite travaillé à l'optimisation de la résolution de l'expérience mise en place : nous avons notamment démontré la possibilité de tirer parti d'effets d'exaltation locale du champ électromagnétique se produisant à l'extrémité de pointes ou de nano-objets métalliques. L'extrapolation des résultats obtenus montre que de telles exaltations devraient permettre d'atteindre des résolutions de l'ordre de 50 nm.

En microscopie optique en champ proche (NSOM, Near-Field Scanning Optical Microscopy), une source de lumière de dimension très inférieure à la longueur d'onde est approchée de l'échantillon à étudier, à des distances très inférieures à lambda. En balayant la sonde en face de l'échantillon, on reconstruit une image optique d'une résolution non limitée par la diffraction, mais par la taille de la source de lumière utilisée. L'utilisation d'une nanoparticule (de taille de l'ordre de 10 nm) luminescente unique comme source de lumière permettrait donc d'avoir accès à des résolutions réellement nanométriques.<br />Nous avons développé un microscope dual confocal/NSOM adapté à l'étude et l'utilisation de telles nanoparticules. A l'aide de ce microscope, nous avons acquis des images construites en utilisant la fluorescence d'un nanocristal de CdSe/ZnSe unique (~ 4 nm) rapporté en extrémité d'une pointe NSOM normale comme source de lumière. Le caractère intermittent de cette fluorescence, combiné avec le photoblanchiment de ces nanocristaux, ont empêché de reconstruire des images complètes permettant de quantifier la résolution latérale atteinte. Notre recherche s'est ensuite portée vers la caractérisation d'autres nanoparticules dont la luminescence ne présente ni blanchiment, ni clignotement. Le premier type de particules présentant ces caractéristiques sont des agrégats de YAG :Ce3+ produits par LECBD, d'une taille inférieure à 5 nm. Nous décrivons les premières caractérisations optiques de ces nanoparticules. La seconde alternative réside dans les nanoparticules de diamant dopées avec des centres NV. Nous avons démontré que notre dispositif permet de sélectionner les nano-diamants qui sont fluorescents, de mesurer leur taille et, dans le cas des particules fluorescentes, de déterminer celles qui hébergent un seul centre NV unique dont l'état de charge est de plus déterminé in situ. Nous montrons ainsi que notre NSOM détecte aisément le centre NV unique dans une nanoparticule de diamant de 25 nm. Cette démonstration ouvre la perspective de pouvoir utiliser une telle particule mais de taille arbitrairement petite comme source de lumière.

Cette thèse s'inscrit dans un projet plus vaste, utilisant les propriétés plasmoniques de systèmes colloïdaux pour développer des guides d’onde à l'échelle submicrométrique. La plasmonique exploite les oscillations collectives des électrons libres à la surface des métaux nobles, excités par une lumière incidente. Les guides d’onde plasmoniques fabriqués par lithographie ont montré un potentiel pour le confinement et le guidage de l'énergie. En revanche, leur polycristallinité induit une dissipation optique. Notre approche consiste à exploiter les plasmons localisés à la surface de nano-objets colloïdaux et monocristallins. Les simulations, au même titre que les expériences, ont confirmé que la structure et l'organisation de ces objets engendraient un confinement et une exaltation du champ proche optique dans leur voisinage. Contrairement aux études en champ lointain, la caractérisation du confinement du champ proche produit par ce type de structures, de faibles tailles, présente plusieurs défis. Dans un premier temps, il est nécessaire de synthétiser les objets. Nous avons choisi d'étudier des particules sphériques d'or assemblées en réseaux de chaînes, puis des nanobâtonnets et des nanoprismes d'or. Le second défi a résidé dans l'organisation et le dépôt des réseaux de chaînes sur un substrat adéquat. Des réseaux étendus monocouches de chaînes monoparticulaires ont été obtenus après dépôt sur un substrat préalablement immergé dans une solution alcaline. Enfin nous avons caractérisé le champ proche optique au voisinage de ces colloïdes. Nous avons appliqué une méthode indirecte : la photomigration moléculaire, pour imager le champ proche optique avec une résolution spatiale latérale d'environ 50 nm. Celle-ci repose sur les propriétés d'un photochrome, qui se déplace sous l'effet d'une excitation lumineuse. Une caractérisation topographique par AFM, avant et après excitation, permet alors de cartographier l'intensité du champ proche. Un déplacement du film, uniquement au niveau des structures et suivant le gradient du champ, a été observé. Nous avons complété cette étude en utilisant deux techniques en "champ lointain", basées sur le balayage "pixel par pixel" d'une "sonde optique virtuelle". La photoluminescence à deux photons (TPL) a mis en évidence la possibilité de confiner ou d'étendre le signal suivant l'organisation des objets. Par ailleurs, l'enregistrement de cartes de température par la technique d'anisotropie de polarisation de fluorescence a démontré l'intérêt des réseaux réticulés de particules, comme sources de chaleur localisées en surface / This thesis is part of a larger project which uses plasmonic properties of colloidal systems to develop and conceive new submicron scale waveguides. Plasmonics exploits the collective oscillations of free electrons on noble metal surfaces, excited by incident light. Plasmonic waveguides made by lithography have shown potential for the confinement and guiding of light energy. On the other hand, their polycristallinity induces an optical dissipation that limits the propagation length. Our approach consists in using localized plasmons on colloidal and monocrystalline nano-object deposited on dielectric surfaces. Simulations, as well as experiments, have confirmed that the structure and organization of such objects generate both a confinement and an enhancement of the optical near field intensity in their vicinity. The characterization of the near field confinement near tiny plasmonic self-assembled structures presents several difficulties. First, it was necessary to synthesize objects and assemble them into networks, in coplanar geometry. Extended monolayer networks of monoparticle chains were obtained after deposition on a substrate previously immersed in an alkaline solution. In a second step, we have characterized the optical near-field around the colloids. We have applied molecular photomigration to image the near-field with a 50nm spatial resolution. This phenomenon relies on the molecular movement of photochromic films induced under light excitation. An AFM topographic characterization, before and after illumination, allows then to map the near-field intensity. A film migration, only around the object and along the field gradient, has been observed. Finally, we completed this study by using two "far field" techniques, based on "pixel by pixel" scanning of an "optical virtual probe". The two photons photoluminescence (TPL) has shown the possibility to confine or expand the signal, depending on object organization. The recording of map temperature by fluorescence polarisation anisotropy has demonstrated the interest of particle networks as localised heat sources

Les nanocristaux semi-conducteurs colloïdaux possèdent des propriétés photo-physiques qui en font des objets de choix pour des applications variées, comme le marquage biologique, le photovoltaïque ou encore l’optique quantique. Leur interaction avec une structure photonique peut modifier leurs propriétés d’émission (durée de vie, intensité…). Le microscope optique de champ proche est un outil privilégié pour venir sonder ces modifications à l’échelle nanométrique.Cette thèse porte sur la réalisation d’une sonde active de champ proche réalisée à partir d’un nanocristal cœur/coquille CdSe/CdS greffé à l’apex d’une fibre optique amincie. Cette sonde est utilisée pour cartographier, dans les 3 dimensions de l’espace et à l’échelle nanométrique, les variations de durée de vie de l’émetteur. Elle permet de rendre compte des variations des modes photoniques sur la surface.Une partie de cette thèse porte sur la réalisation de la sonde active elle-même. Grâce à cette sonde les études sont alors développées sur un réseau de trous dans un film mince d’or. Des simulations FDTD ont été réalisées dans le but de déterminer les paramètres pertinents du réseau et d’analyser leur réponse en champ proche.Les résultats expérimentaux des durées de vie en divers points de différents réseaux, obtenus avec la sonde active, sont confrontés aux résultats numériques. / Colloidal semiconductor nanocrystals have photo-physical properties that make them objects of choice for various applications, such as biological marking, photovoltaics or quantum optics. Their interaction with a photonic structure can modify their emission properties (lifetime, intensity, etc.). The near-field optical microscope is a privileged tool to probe these changes at the nanoscale.This thesis deals with the realization of an active near-field probe made from a CdSe / CdS core / shell nanocrystal grafted to the apex of a thinned optical fiber. This probe is used to map, in the 3 dimensions of the space and on the nanometric scale, the variations in the lifetime of the emitter. It makes it possible to account for variations in photonic modes on the surface.A part of this thesis concerns the realization of the active probe itself. Thanks to this probe the studies are then developed on a hole grating made in a thin film of gold. FDTD simulations were performed to determine relevant grating parameters and to analyze their near field response.The experimental results of the lifetimes at various points of different gratings, obtained with the active probe, are compared with the numerical results.

Dans la configuration dite " NSOM à ouverture ", la résolution optique est dans le meilleur des cas comprise entre 50 et 100 nm. Afin de sonder les propriétés optiques de nanosystèmes, aux dimensions toujours plus petites, une résolution optique plus fine est souhaitable. Pour remplir cet objectif, la solution que nous proposons est l'utilisation d'une sonde active. Une telle sonde repose sur le greffage d'un nano-objet fluorescent à l'apex d'une pointe optique classique. En théorie, la résolution latérale en champ proche devrait être dictée par la taille de ce nano-émetteur (<< 50 nm). Sur la base des travaux réalisés précédemment dans le laboratoire, nous présentons ici deux nouvelles méthodes pour réaliser une telle sonde. Celles-ci impliquent deux types de nanoparticules complémentaires à la taille et aux propriétés optiques attrayantes (forte émission dans le visible, photostabilité). Une première approche a été développée à partir d'un ensemble de nanoparticules de YAG, dopées par des ions cérium, produites et déposées en bout de pointe par LECBD (Low Energy Cluster Beam Deposition). La seconde approche consiste à sélectionner et à fixer en bout de pointe de manière contrôlée (grâce à un polymère) un nanodiamant, contenant des centres colorés (NV), déposé sur une lame de microscopie. L'avancement des travaux est présenté pour les deux types de nano-objets. La mise au point et l'utilisation pour l'imagerie NSOM d'une sonde active à photons uniques, basée sur nanodiamant de 20 nm contenant un seul centre NV et fonctionnant à température ambiante, sont aussi discutées. Au-delà du gain en résolution que peut apporter une telle sonde, ce nouveau type de pointe à photons uniques ouvre de nouvelles perspectives aussi bien en optique et plasmonique quantiques qu'en magnétométrie à haute résolution et haute sensibilité.

Le domaine des nanomatériaux joue un rôle de plus en plus important dans de nombreuses applications, qu’elles soient de natures biologique, médicales électroniques etc… Dans ce travail, nous présenterons des résultats concernant deux types de nanoparticules, le premier genre traite de nanoparticules hybrides confectionnées chimiquement pour des fins biologiques, le deuxième concerne des nanocristaux de silicium fabriqués par pyrolise laser pour des applications potentielles en optoélectronique. Les études sont menées en mettant en œuvre deux différentes techniques optiques, l’une en champ lointain, l’autre en champ proche. Dans le cas des nanohybrides, nous nous intéresserons à une caractérisation par microscopie en champ proche, qu’elle soit de nature spectroscopique ou d’imagerie simple, en utilisant en particulier une configuration optique guidante. Nous ferons un premier point à propos de l’émission de ses nanoparticules, puis discuterons des problèmes d’artefacts et de la résolution des images que nous pouvons atteindre avec notre montage. Nous prouverons l’importance essentielle du rôle des nanohybrides en tant que marqueur biologiques, et ceci dans deux différentes types de configuration de capteurs biologiques. Les nanoparticules de silicium de petites tailles (< 3 nm) seront étudiées essentiellement par microscopie confocale. Plus précisément, nous nous intéressons aux différents procédés de luminescence qui ont lieu lors de l’excitation d’une nanoparticule unique, en tenant compte des effets de taille et de surface. Nous chercherons à étudier l’influence de l’environnement des nanoparticules sur leurs propriétés spectrales en les plaçant dans des couches minces de natures diélectriques différentes. Nous conclurons enfin sur une brève description des différents effets Sark qui prennent lieu dans un tel système. / The domain of nanomatrials plays an important role in many biological, medical and electronic applications. In this work, we present results concerning two types of nanoparticles : the first kind treats with hybrid nanoparitcls chemically synthesized for biological means, the second concerns silicon nanocrystals fabricated by laser pyrolisis for optoelectronic applications. The studies are done by using two different optical techniques, one in the far field, the other in the near field. In the nanohybrids case, we are interested by spectroscopic, and imaging near field characterization, by particularly using a waveguide configuration. We will first shed light about the emission properties of such nanoparticles, and then discuss artefact problems, in addition to the resolution of the images we can attain in our setup. We will prove the essential importance of the role of nanohybrids as biological markers with two different types of biosensors. The small sized silicon nanoparticles (< 3 nm) are essentially studied by confocal microscopy. More precisely, we will be interested by the different luminescence processes taking place during the excitation of a unique nanoparticle, by taking into consideration the surface effects. We will search to study the influence of the nanoparticles environment on their spectral properties by placing them in thin films having different dielectric properties. We will conclude with a small description of the stark effects which take place in such a system

Les champs électromagnétiques évanescents sont à l'origine de forces optiques de champ proche, comme par exemple à la surface de guides d'onde ou de nanocavités photoniques où la lumière se trouve très fortement confinée. Ces forces sans-contact peuvent être avantageusement utilisées pour piéger et manipuler des micro- et nano-objets en solution. Cette thèse a pour but l'étude de ces interactions et de leurs potentielles applications. Le premier chapitre consiste en une brève introduction aux domaines des systèmes colloïdaux et du piégeage optique, notamment en champ proche. Le deuxième chapitre présente les moyens instrumentaux utilisés, ainsi que le procédé mis au point pour la fabrication de puces optofluidiques dotées d'un canal microfluidique. Le troisième chapitre est dédié à l'étude du potentiel de piégeage perçu par des microbilles de 2 $µm$, 1 $µm$ et 500 $nm$ à la surface d'une nanocavité photonique, et aboutit à la notion de microscopie optofluidique en champ proche optique. Dans le quatrième chapitre, nous étudions le comportement dynamique et la manipulation d'agrégats de microbilles piégés en présence d'écoulements. Le dernier chapitre est consacré à l'étude du piégeage et de la manipulation de microbilles à la surface de guides d'onde sous l'action de modes copropagatifs. / Near-field optical forces arise from evanescent electromagnetic fields, such as in the near-field of photonic waveguides and nanocavities where light is highly confined. These contactless forces can be advantageously used to trap and manipulate micro- and nano-objects in solution. This thesis aims at studying these intriguing interactions and investigating their potential applications. The first chapter is an introduction to the fields of colloidal systems and optical trapping, more especially using near-field optical forces. The second chapter presents the experimental setup and the process used to fabricate optofluidic chips with microfluidic channels. The trapping potential experienced by 2 $µm$, 1 $µm$, and 500 $nm$ microbeads at the surface of a photonic nanocavity is studied in the third chapter. Our results lead to the concept of optofluidic near-field optical microscopy. In the fourth chapter, we study the dynamics and the manipulation of trapped microbeads clusters in fluidic flows. The last chapter focuses on the trapping and the manipulation of microbeads at the surface of waveguides using copropagating modes.