Grâce aux plasmons de surface des nanoparticules métalliques et aux propriétés optiques et électroniques exceptionnelles des quantum dots (QDs), les nanostructures hybrides QD/métal ont suscité beaucoup d'intérêt depuis une dizaine d'années en raison de leurs nombreuses applications potentielles. Cependant, les hybrides QD/or colloïdaux n'ont été que rarement obtenus bien que ces structures soient particulièrement prometteuses du point de vue optique et qu'elles puissent être manipulées très facilement, car dispersées en solution. Dans cette étude, nous avons réussi à mettre au point pour la première fois une méthode de synthèse généralisée permettant d'obtenir des structures hybrides cœur/coque/coque QD/SiO2/Au (autrement appelés QDs dorés). Tout d'abord, les QDs hydrophobes ont été encapsulés individuellement dans des billes de silice par une méthode d'émulsion inverse. Les nanoparticules QDs/SiO2 ainsi obtenues ont ensuite été recouvertes d'une nanocoque continue d'or via un processus de dépôt en solution. Les épaisseurs de la silice et de la couche d'or - deux paramètres importants pour les QDs dorés - peuvent être ajustées indépendamment afin d'obtenir les dimensions souhaitées. Nous avons montré que les QDs dorés individuels à base de QDs CdSe/CdS à coque épaisse possèdent une émission stable et poissonienne à température ambiante et sont très photostables. Cette nouvelle structure de QDs dorés se comporte comme un résonateur plasmonique avec un facteur de Purcell élevé (~6), en très bon accord avec les simulations. Nous présentons également des auto-assemblages de QDs hydrophobes en superparticules (SPs). Un choix judicieux de QDs donne aux SPs des propriétés exceptionnelles telles qu'une émission de fluorescence intense, non-clignotante et multicolore. Des SPs multifonctionnelles peuvent aussi être obtenues en associant des nanocristaux magnétiques et fluorescents. La croissance d'une coque de silice sur les SPs a permis d'augmenter leur stabilité et nous avons démontré que cette couche de silice pouvait elle-même être recouverte d'une nanocoque d'or pour améliorer la photostabilité et la biocompatibilité de ces SPs.

L'objet de cette thèse est le couplage entre des nanocristaux luminescents et des nanostructures métalliques. Ces structures présentent nombre d'intérêts dans un large panel d'applications de par l'apparition de modes électromagnétiques de surface (dénommés plasmons) que l'on contrôle via la géométrie de ces structures. Dans cette thèse, j'étudie deux types de nanostructures métalliques différentes : les plasmons « long-range» et les nanoantennes plasmoniques.Dans un premier temps je me suis intéressé à une géométrie qui couple deux plasmons propagatifs en deux modes hybrides au travers d'une fine couche de métal pour former des plasmons à forte longueur de propagations. En couplant des nanocristaux luminescents à ces modes, la répartition en énergie de l'émission dans les différents canaux de désexcitation disponibles a été étudiée. J'ai aussi montré que le métal pouvait augmenter leur taux d'émission spontanée d'un facteur 1,7. La contribution non négligeable des modes de guide conventionnels à l'émission dans ces structure a également été mise en évidence.Dans un second temps, j'ai étudié la potentielle utilisation de nanoparticules métalliques comme nanoantennes pour exalter et rediriger l'émission spontanée. La structure sera composée d'un dimère métallique créant un «point chaud » placé à proximité d'un plot métallique permettant la redirection. Des calculs FDTD montrent qu'une géométrie en pilier permet à la fois des pertes faibles (<10%), une forte augmentation de la cadence d'émission(>x80), une redirection de la lumière et ouvre la possibilité de multiplexage directif en longueur d'onde de l'information. Ces structures présentent l'avantage d'être compatibles avec les techniques modernes d'élaboration en couche mince. Des réalisations préliminaires ont alors été présentées / The object of this thesis is the coupling between luminescent nanocristals and metallic nanostructures. These structures show numerous interest in a large variety of applications thanks to the apparition of electromagnetic surface wave known as plasmons whose properties are tailored with the geometry of these structures. In this thesis, two types of geometry will be adressed : the long-range plasmons, and plasmonic nanoantennas. In a first time, the study focuses on a geometry in which two propagative surface plasmons are coupled through a thin metal film; creating a new type of plasmons with extended propagation lenghts. By coupling the emission of nanocristals in such a geometry, the energy repartition in the different desexcitation channels available has been adressed. The viccinity of the metal has also proved to increase the spontaneous decay rate up to 1.7. The non trivial contribution of conventional waveguide modes has also been demonstrated. In a second time, the potential of using metallic nanoparticles in a pillar geometry as nanoantennas to enhance and redirect the spontaneous emission has been investigated. The structure is composed of a metallic dimer creating a hotspot on top of which another metallic nanoparticles has been placed. FDTD simulations has shown that this kind of geometry can lead to few loss (<10%), a strong enhancement of the emission rate (>x80), a redirection of the emission and paves the way to wavelenght multiplexing possibilities. Besides, these structures present the advantage to be compatible with modern thin film elaboration techniques. Preliminary realisations have then been introduced

Grâce aux plasmons de surface des nanoparticules métalliques et aux propriétés optiques et électroniques des quantum dots (QDs), les nanostructures QD/métal suscitent beaucoup d'intérêt. Cependant, bien que prometteurs, les hybrides QD/or colloïdaux n'ont été que rarement obtenus.Nous avons mis au point la première méthode de synthèse généralisée conduisant à des structures hybrides cœur/coque/coque QD/SiO2/Au (appelées QDs dorés). Tout d'abord, les QDs hydrophobes sont encapsulés individuellement dans des billes de silice par émulsion inverse. Les nanoparticules obtenues sont ensuite recouvertes d'une coque d'or continue via un processus de dépôt en solution. Les épaisseurs de silice et d'or peuvent être ajustées indépendamment aux dimensions voulues. Nous avons montré que les QDs dorés individuels à base de QDs CdSe/CdS à coque épaisse possèdent une émission stable et poissonienne à température ambiante et sont très photostables. Cette nouvelle structure se comporte comme un résonateur plasmonique avec un facteur de Purcell élevé (~6), en très bon accord avec les simulations.Nous présentons également des auto-assemblages de QDs hydrophobes en superparticules (SPs). Un choix judicieux de QDs donne aux SPs des propriétés exceptionnelles telles qu'une émission de fluorescence intense, non-clignotante et multicolore. Des SPs multifonctionnelles peuvent aussi être obtenues en associant des nanocristaux magnétiques et fluorescents. La croissance d'une coque de silice sur les SPs a permis d'augmenter leur stabilité et nous avons démontré que cette couche de silice pouvait être recouverte d'une coque d'or pour améliorer la photostabilité et la biocompatibilité de ces SPs. / Due to the surface plasmons in metallic nanostructures and the exceptional optical and electrical properties of colloidal semiconductor quantum dots (QDs), QD/metal hybrid nanostructures attract much attention. However, although these structures are very promising, colloidal single QD/gold hybrids have rarely been synthesized.We managed to develop for the first time a generalized synthetic route to synthesize a QD/SiO2/Au core/shell/shell hybrid structure (golden QDs). First, hydrophobic QDs are individually encapsulated in silica beads via reverse microemulsion. The obtained QD/SiO2 nanoparticles are then coated with a continuous gold nanoshell using a solution deposition process. The thicknesses of the silica and the gold layers can be tailored independently to various dimensions. We showed that single golden thick-shell CdSe/CdS QDs provide a system with a stable and poissonian emission at room temperature and a high photostability. This novel hybrid golden QD structure behaves as a plasmonic resonator with a strong (~ 6) Purcell factor, in very good agreement with simulations. We also present the self-assembly of hydrophobic QDs into colloidal superparticles (SPs). With a fine choice of QDs, SPs could indeed possess outstanding properties including non-blinking fluorescence, high fluorescence intensity and multi-color emission. Multi-functional SPs could also be obtained by mixing fluorescent or magnetic nanocrystals. The subsequent growth of a silica shell on the SPs allowed an enhancement of their stability and we demonstrated this silica shell could itself be covered by a gold nanoshell to further improve the SPs photostability and biocompatibility.

La généralisation des communications numériques (téléphonie mobile, courrier électronique, commerce électronique...) rend nécessaire la mise au point de systèmes dont la confidentialité des informations est garantie de manière absolue. L'utilisation des lois de la mécanique quantique comme moyen de cryptage répond à ce critère. Bien que les physiciens théoriciens aient commencé à réfléchir sur ce type de cryptage depuis les années 1970, les dispositifs effectivement utilisables et industrialisables à grande échelle ne sont pas encore disponibles. Parmi les dispositifs qu’il convient de développer et maîtriser, les sources de lumières capables de générer des photons à l’unité tiennent une place centrale. Une des principales difficultés rencontrées dans leur mise au point réside dans la nécessité d’atteindre une efficacité de collection de la lumière émise proche de l’unité. La solution généralement proposée consiste à maitriser leur environnement électromagnétique à l'aide de résonateurs optiques miniaturisés à l’échelle de la longueur d’onde. On peut ainsi bénéficier d'effets d’électrodynamique quantique, tel que l'effet Purcell, pour améliorer, par exemple, la dynamique et/ou la directivité d'émission des photons. La réalisation pratique de sources de photons n'a été rendue possible que par les progrès des nanotechnologies. L'utilisation de la technologie des semi-conducteurs est la voie prometteuse choisie dans ce travail, dans l'objectif de développer des composants miniaturisés et facilement intégrables, à la base d’une nouvelle génération de résonateurs optiques de taille ultime. Dans ce travail de thèse, nous proposons de développer une source de photons uniques utilisant des boites quantiques InAs -comme émetteurs uniques- incluses dans une membrane GaAs dans laquelle on réalise un résonateur optique consistant en une cavité à cristal photonique membranaire. On exploite la technologie des cristaux photoniques afin d’utiliser un unique mode optique résonant, dit mode de Bloch lent non dégénéré, opérant au-dessus de la ligne de lumière. On exploite diverses méthodes numériques pour la conception et la simulation du comportement électromagnétique des dispositifs. Nous effectuons ainsi une ingénierie fine de modes optiques permettant : (1) d'optimiser le facteur de Purcell dans une hétérostructure photonique(puits photonique analogue des puits quantiques électroniques). Nous montrons que le report de cette cavité sur un miroir de Bragg entraîne le doublement du taux de collection des photons, ainsi que de la dynamique d’émission; (2) de contrôler la directivité d'émission du mode pour améliorer l’efficacité d'extraction /collection des photons. Une étude détaillée de l’ingénierie du diagramme de rayonnement est présentée permettant d’appréhender la physique et de prévoir les caractéristiques10de l’émission du mode. Nous montrons, notamment, que la présence du miroir de Bragg peut fortement modifier la directivité d’émission. Les développements technologiques effectués en vue d'obtenir des résonateurs photoniques de hautes qualités sont également exposés. A la longueur d’onde d’émission de 900nm, choisie pour une adaptation optimale aux caractéristiques des détecteurs, la période du cristal photonique nécessaire est de l’ordre de quelques centaines de nm. Les outils et les paramètres de technologie de fabrication (par exemple, calibration de l’épaisseur du masque dur et des paramètres d’exposition de la résine par lithographie électronique) sont exposés en détail. / The current demand of digital communications (mobile phones, email, e-commerce ...) requires the development of systems which can guarantee full confidentiality. The use of quantum mechanics laws as a way of encryption is considered as an efficient way to meet confidentiality requirements. While physicists have begun to think about this type of encryption since the 1970s, the practical devices with large scale manufacturability are not yet available. Among devices to be developed, light sources capable of generating photons per unit are the most promising. One of the main difficulties encountered in their development is the need to achieve a collection efficiency of the emitted light close to unity. The solution usually proposed is to control their electromagnetic environment using optical resonators miniaturized at the wavelength scale. Thus, we can benefit from quantum electrodynamics effects, as the Purcell effect, in order to improve for example the dynamics and/or the directivity of the emitted photons. The practical realization of photon sources has been made possible by advances in nanotechnology. The use of semiconductor technology is the promising way chosen in this work, in view of developing miniaturized and easily integrated components to lay foundations for a new generation of ultimate-size optical resonators. In this thesis, we propose to develop a single photon source using InAs/GaAs quantum dots -as single emitters - inserted in a GaAs membrane. The quantum dots are coupled to an optical resonator consisting in a photonic crystal cavity formed in the GaAs membrane. Use of the photonic crystal approach allows for the generation of a single-resonant-optical mode so called non degenerated slow Bloch mode, operating above the light line, hence providing efficient communication with free space. We employ various numerical methods for designing and simulating the electromagnetic behaviours of the devices. Thus, we perform a fine engineering of the optical modes in order to:(1) optimize the Purcell factor in a photonic heterostructure (where photonics wells are equivalent to electronic quantum wells). We show that the positioning of a Bragg mirror above the cavity results in a two-fold increase of the collection efficiency of photons, as well as of their emission dynamics;(2) control the directivity of the emission diagram, thus improving the efficiency of extraction/collection of photons. A detailed engineering study of the radiation pattern is presented in12order to predict the features of the emission diagram. We show in particular that the presence of the Bragg mirror may alter the directivity of the emission if its location is not properly optimized. Technological developments meant to result in high quality photonic resonators are described. A wavelength of 900nm of the emission is chosen for an optimal matching to the detector characteristics, which requires a period of the photonic crystal in the range of a few hundreds of nm. The tools and technological parameters of manufacturing (eg, calibration of the thickness of hard mask and exposure parameters of the resist by electron beam lithography) are detailed.