La microscopie en champ proche optique permet d'analyser les phénomènes optiques avec une résolution spatiale sublongueur d'onde comme par exemple la localisation et la propagation de la lumière dans des cristaux photoniques. D'une manière générale, les méthodes de microscopie en champ proche optique reposent sur le positionnement à l'échelle nanométrique d'une sonde locale à proximité de l'échantillon à analyser, puis sur la détection du signal diffusé et collecté lors du balayage de la sonde. En fonction du type de détection optique mise en oeuvre ou du type de sonde utilisée, les grandeurs physiques communément accessibles par ces méthodes sont les distributions spatiales de l'amplitude et de la phase ou de l'intensité des composantes électriques ou magnétiques du champ sondé.Ce travail de thèse est consacré à la mise en place d'une détection hyperstectrale en champ proche optique dans le but de comprendre et de caractériser, à des échelles sublongueurs d'onde, les propriétés spectrales et spatiales de systèmes optiques miniaturisés. L'imagerie hyperstectrale fournit en une seule acquisition, une série d'image à chaque longueur d'onde dans les gammes spectrales visibles, infrarouges et aux longueurs d'onde des télécommunications optiques. Cette nouvelle technique d'imagerie a permis l'observation, sur une large bande spectrale, de phénomènes électromagnétiques dépendant de la longueur d'onde tels que les effets superprisme et mirage dans les cristaux photoniques et la mise en forme de faisceaux de Bessel plasmoniques

Le but de cette thèse est de développer les outils numériques et semi-analytiques qui nous permettent d’étudier des guides non-linéaires complexes et réalistes qui pourraient être fabriqués et caractérisés expérimentalement.Nous présentons une étude complète d’une version améliorée du guide d’onde plasmonique non-linéaire à une dimension, en ajoutant deux couches tampons de diélectrique linéaire entre le cœur non-linéaire isotrope et les deux gaines métalliques. Ses couches réduisent les pertes et permettent leur diminution avec la puissance contrairement aux guides simples. De plus, les principaux modes plasmoniques non-linéaires peuvent présenter une transition spatiale vers des modes de types différents, qui peut être contrôlée par la puissance.Par la suite, nous étudions un nouveau guide plasmonique non-linéaire à fente utilisant un métamatériau, soit dans le cœur non-linéaire soit dans les gaines linéaires. Nous avons mis au point une méthode semi-analytique et une méthode numérique afin d’étudier les solutions stationnaires non-linéaires dans ce nouveau guide non-linéaire anisotrope. Nous avons montré analytiquement et numériquement que le cœur non-linéaire anisotrope peut être conçu afin d’atteindre de forts effets non-linéaires à faible puissance. Pour certains métamatériaux dans les gaines linéaires, la figure de mérite de ce guide d’onde augmente de plus de 50 fois par rapport aux guides isotropes.Pour conclure, nous présentons une nouvelle méthode basée sur la méthode des éléments finis de type vectoriel couplée à l’algorithme à puissance fixée pouvant calculer rigoureusement les effets non-linéaires dans des guides d’onde plasmoniques 2D. / The main goal of this PhD is to develop the semi-analytical and the numerical tools that allow us to study complicated and realistic nonlinear plasmonic waveguides which can be fabricated and characterized experimentally.First, we present a full study of an improved version of the one-dimensional nonlinear plasmonic slot waveguide, by adding two linear dielectric buffer layers between the isotropic nonlinear core and the two metal claddings. These additional layers reduce the overall losses and allow the losses to decrease with the power for some configurations unlike the usual slot. Furthermore, the main plasmonic modes can exhibit nonlinear spatial modal transitions towards new families of modes that can be controlled with the power.Second, we propose and study new one-dimensional nonlinear plasmonic slot waveguides with metamaterial regions either in the nonlinear core or in the linear claddings. For the metamaterial nonlinear core, we developed semi-analytical and fully numerical methods in order to study the nonlinear stationary solutions propagating in this anisotropic nonlinear waveguide. We have demonstrated both analytically and numerically that the anisotropic nonlinear core can be designed in order to achieve strong nonlinear effects at low power.For the structures with metamaterial linear claddings, the figure of merit can be extremely enhanced by more than 50 times compared with the simple one. Finally, we present the full derivation of a new nonlinear full vectorial finite element method based on the fixed power algorithm in order to quantify rigorously the nonlinear characteristics of realistic two-dimensional nonlinear plasmonic structures.

Dans ce travail de thèse, le microscope à force atomique (AFM) a été utilisé comme outil de manipulation de haute précision pour construire des nanostructures plasmoniques avec des géométries définies et un réglage précis de la distance interparticulaire et également comme technique de spectroscopie d'absorption. Différentes études concernant les phénomènes pertinents pour la manipulation des nanoparticules et émergeant à l'interface substrat-nanoparticules, ont été réalisées. Des expériences de frottement menées sur diverses surfaces d'oxydes ont révélé un nouveau mécanisme de frottement à l’échelle nanométrique, expliqué par un modèle de potentiel d'interaction de type Lennard-Jones modifié. Les propriétés de frottement et d'adhésion de CTAB adsorbé sur silice sont également présentées. Des nano-bâtonnets d'or fonctionnalisés par du CTAB ont été manipulés par AFM afin de construire des nanostructures plasmoniques. La dernière partie de la thèse présente les efforts expérimentaux et théoriques pour démontrer la faisabilité de l'utilisation d'un AFM comme une technique de spectroscopie optoélectronique à base de force. / In this thesis work the atomic force microscope (AFM) was employed first as a high precision manipulation tool for building plasmonic nanostructures with defined geometries and precise tuning of interparticle distance and second as an absorption spectroscopy technique. Different studies regarding phenomena emerging at sample nanoparticle interface relevant for nanoparticle manipulation were performed. Friction experiments conducted on various oxide surfaces revealed a novel nanoscale stick slip friction mechanism, explained by a modified Lennard-Jones-like interaction potential model. Frictional and adhesion properties of CTAB adsorbed on silica are also reported. CTAB functionalized gold nanorods were used for building specific plasmonic particulate nanostructures. The final part of the thesis presents experimental and theoretical efforts to demonstrate the feasibility of using an AFM as a force-based optoelectronic spectroscopy technique.

Les nanoparticules (NPs) d'Ag sont très utilisées dans le secteur de la santé, dans l'industrie alimentaire et dans les produits de consommation pour leurs propriétés antimicrobiennes. Le grand rapport surface sur volume des NPs d'Ag permet une augmentation importante du relargage d'Ag comparé au matériau massif et donc une toxicité accrue vis à vis des micro-organismes sensibles à cet élément. Ce travail de thèse présente une évaluation des propriétés antimicrobiennes de petites NPs d'Ag (<20 nm) enrobées dans des matrices de silice sur la photosynthèse d'algues vertes. Deux techniques d'élaboration par voie physique ont été utilisées pour fabriquer ces nanocomposites: (i) l'implantation ionique à basse énergie et (ii) la pulvérisation d'Ag couplée avec la polymérisation plasma. Les propriétés structurales et optiques de ces nanostructures ont été étudiées par microscopie électronique à transmission, réflectivité et ellipsométrie. Cette dernière technique, couplée à un modèle basé sur l'approximation quasi-statique de type Maxwell-Garnett, a permis la détection de petites variations dans la taille et la densité des NPs d'Ag. Le relargage d'argent de ces NPs d'Ag enrobées dans des diélectriques a été mesuré par spectrométrie de masse après immersion dans de l'eau tamponnée. La toxicité à court terme de l'Ag sur la photosynthèse d'algues vertes, Chlamydomonas reinhardtii, a été évaluée par fluorométrie. L'enrobage des nanoparticules dans un diélectrique réduit leur interaction avec l'environnement, et les protège d'une oxydation rapide. La libération d'Ag bio-disponible (impactant sur la photosynthèse des algues) est contrôlée par la profondeur à laquelle se trouvent les NPs d'Ag dans la matrice hôte de silice. Cette étude permet d'envisager le design de revêtements à effet biocide contrôlé. En couplant les propriétés antimicrobiennes de ces NPs d'Ag enrobées à leur qualité d'antenne plasmonique, ces nanocomposites peuvent être utilisés pour détecter et prévenir les premières étapes de la formation de biofilms sur des surfaces. Ainsi, une dernière partie de ce travail est dédiée à l'étude de la stabilité et de l'adsorption de protéines fluorescentes Discosoma rouges recombinantes (DsRed) sur ces surfaces diélectriques avec la perspective du développement de dispositifs SERS. / Silver nanoparticles (AgNPs) because of their strong biocide activity are widely used in health-care sector, food industry and various consumer products. Their huge surface-volume ratio enhances the silver release compared to the bulk material, leading to an increased toxicity for microorganisms sensitive to this element. This work presents an assessment of the biocide properties on algal photosynthesis of small (<20 nm) AgNPs embedded in silica layers. Two physical approaches were used to elaborate these nanocomposites: (i) low energy ion beam synthesis and (ii) combined silver sputtering and plasma polymerization. These techniques allow elaboration of a single layer of AgNPs embedded in silica films at defined nanometer distances (from 0 to 7 nm) beneath the free surface. The structural and optical properties of the nanocomposites were studied by transmission electron microscopy, reflectance spectroscopy and ellipsometry. This last technique, coupled to modelling based on the quasi-static approximation of the classical Maxwell-Garnett formalism, allowed detection of small variations over the size and density of the embedded AgNPs. The silver release from the nanostructures after immersion in buffered water was measured by inductively coupled plasma mass spectrometry. The short-term toxicity of Ag to the photosynthesis of green algae, Chlamydomonas reinhardtii, was assessed by fluorometry. Embedding AgNPs reduces their interactions with the buffered water, protecting the AgNPs from fast oxidation. The release of bio-available silver (impacting on the algal photosynthesis) is controlled by the depth at which AgNPs are located for the given host silica matrix. This provides a procedure to tailor the biocide effect of nanocomposites containing AgNPs. By coupling the controlled antimicrobial properties of the embedded AgNPs and their quality as plasmonic antenna, these coatings can be used to detect and prevent the first stages of biofilm formation. Hence, the last part of this work is dedicated to a study of the structural stability and adsorption properties of Discosoma recombinant red (DsRed) fluorescent proteins deposited on these dielectric surfaces with perspectives of development of SERS devices.

Les guides d’ondes plasmoniques à rubans dielectriques (DLSPPW) sont récemment apparus comme une des solutions possible pour le transport de signaux optiques et électriques sur puce. Néanmoins, dans le contexte particulier des interconnections optiques, des fonctionalitées avancées telles que filtrage, commutation, et routage sont nécessaires afin de remplacer dans le futur les composants electroniques équivalents trop gourmands en énergie et aussi réduire leur empreinte. Après une présentation des intérêts et limitations de la technique de micro- scopie à fuite radiative, nous montrons plusieurs composants actifs utilisant pour diélectrique des polymères thermo-sensibles controlés électriquement par eet Joule. Par la suite nous démontrons la faisabilité de systèmes tout optique que ce soit par dopage du polymère par des nanoparticules metalliques ou par eet thermo-plasmonique d’un second mode plasmon permettant un échauement localisé de forme choisie. L’activation dynamique de nos composants thermo-optiques est réalisée grâce à un montage fibre-à-fibre créé spécialement nous permettant d’investiguer le temps de réponse d’un chauage plasmonique ainsi que la transmission de signal télécom. Des améliorations de performances du concept DLSPPW original sont proposées par l’ajout d’un mur métallique sur le côté du ruban de polymère. Ce système peut alors fonctionner comme un convertisseur de polarisation compacte et athermique / The Dielectric Loaded Surface Plasmon Polariton Waveguides (DLSPPWs) have recently emerged as a possible solution to carry both optical and electrical signals on- chip. However, in the particular context of optical interconnects, advanced functionalities such as filtering, switching, and routing are required in order to replace in the future the equivalent electronic components which are too much power consumer and also to reduce their footprints. After presenting the interest and limitation of the leakage radiation microscopy method used all along this work, we show several active devices using thermo-sensitive polymers as the dielectric load driven electrically by Joule heating. Then we demonstrate the feasibility of all-optical systems by either doping the dielectric with metallic nanoparticles or by plasmo-thermal eect of a second plasmonic mode providing a localized heating of controlled shape. The dynamic activation of our thermo- optical devices is performed using a homemade fiber-to-fiber setup which allows us to investigate the response time of a plasmo-thermal heating as well as true datacom transmission. Some improvements of the original DLSPPWs performances are proposed by adding a metallic wall on one side of the polymer ridge. This system can act as a compact and athermal polarization converter

Cette thèse porte sur l’étude mathématique des interactions entre la lumière et certains types de nanoparticules.À l’échelle du nanomètre, des particules métalliques comme l’or ou l’argent subissent un phénomène de résonance lorsque leurs électrons libres interagissent avec un champ électromagnétique. Cette interaction produit une augmentation du champs électrique proche et lointain, leur permettant d’améliorer la luminosité et la directivité de la lumière, confinant des champs électromagnétiques dans des directions avantageuses. Ce phénomène, appelé "résonances plasmoniques pour des nanoparticules" ouvre une porte sur une large gamme d’applications, des nouvelles techniques d’imagerie médicale à des panneaux solaires efficaces. En utilisant des techniques issues des potentiels de couches et de la théorie de la perturbation,nous proposons une étude de la dispersion d’ondes électromagnétiques par une et plusieurs nanoparticules plasmoniques, dans le cadre quasi-statique, Helmholtz et Maxwell. Nous étudions ensuite certaines applications tel que la génération de chaleur, les métasurfaces et l’imagerie super-résolue. / This thesis deals with the mathematical study of the interactions between light and certain types of nanoparticles. At the nanometer scale, metal particles such as gold or silver undergo a resonance phenomenon when their free electrons interact with an electromagnetic field. This interaction results in an enhancement of the near and far electric field, enabling them to improve the brightness and the directivity of the light, confining electromagnetic fields in advantageous directions. This phenomenon, called "plasmonic resonances for nanoparticles", opens a door to a wide range of applications, from new medical imaging techniques to efficient solar panels. Using layer potentials techniques and perturbation theory, we proposea study of the scattering of electromagnetic waves by one and several plasmonic nanoparticles in the quasi-static, Helmholtz and Maxwell framework. We then study some applications such as heat generation, metasurfaces and super-resolution.

Dans cette thèse, nous utilisons différentes nanostructures plasmoniques pour contrôler l'émission de lumière excitée électriquement. Notre émission électrique provient d'une "nanosource STM" qui utilise le courant tunnel inélastique entre la pointe d'un microscope à effet tunnel (STM) et un échantillon métallique, pour exciter localement les plasmons polaritons de surface localisés et propagatifs. L’interaction de notre nanosource STM et d'une lentille plasmonique circulaire (une série de fentes concentriques gravées dans un film d'or épais) produit une microsource radialement polarisée de faible dispersion angulaire (≈ ± 4 °). L'influence des paramètres structuraux sur la propagation angulaire de la microsource résultante est également étudiée. En outre, une faible dispersion angulaire (<± 7 °) pour une grande plage de longueurs d'onde (650-850 nm) est obtenue. Ainsi, cette microsource électrique de lumière presque collimatée a une réponse spectrale large et est optimale sur une large plage d'énergie, en particulier en comparaison avec d'autres structures plasmoniques résonantes telles que les nanoantennes Yagi-Uda. L'interaction de notre nanosource STM et d'une lentille plasmonique elliptique (une seule fente elliptique gravée dans un film d'or épais) est également étudiée. Lorsque l'excitation STM est située au point focal de la lentille plasmonique elliptique, un faisceau lumineux directionnel à faible divergence est acquis. De plus, expérimentalement, nous trouvons qu'en changeant l'excentricité de la lentille plasmique elliptique, l'angle d'émission varie. On constate que plus l'excentricité de la lentille elliptique est grande, plus l'angle d'émission est élevé. Cette étude permet de mieux comprendre comment les nanostructures plasmoniques façonnent l'émission de lumière. L'interaction de SPP excités par STM et d'une structure de pile multicouche planaire plasmonique est également étudiée. Il est démontré qu'en utilisant l'excitation STM, nous pouvons sonder la structure de bande optique de la pile Au-SiO₂-Au. Nous trouvons que l'épaisseur du diélectrique joue un rôle important dans la modification du couplage entre les modes. Nous comparons également les résultats obtenus par excitation laser et STM de la même structure de pile. Les résultats indiquent que la technique STM est supérieure en sensibilité. Ces résultats mettent en évidence le potentiel de la STM en tant que technique de nanoscopie optique sensible pour sonder les bandes optiques des nanostructures plasmoniques. Enfin, l'interaction d'une nanosource STM et d'une plaque triangulaire individuelle est également étudiée. Nous trouvons que lorsque l'excitation STM est centrée sur la plaque triangulaire, il n'y a pas d'émission de lumière directionnelle. Cependant, lorsque la nanosource STM est située sur le bord du triangle, on obtient une émission de lumière directionnelle. Cette étude nous fournit une nouvelle voie pour atteindre l'émission de lumière directionnelle. Nous étudions également l'exploration du LDOS optique du triangle avec la nanosource STM. Ainsi, nos résultats montrent que la manipulation de la lumière est réalisée par des interactions SPP-matière. En utilisant des nanostructures plasmoniques, nous contrôlons la collimation, la polarisation et la direction de la lumière provenant de la nanosource STM. / In this thesis, we use different plasmonic nanostructures to control the emission of electrically-excited light. Our electrical emission is from an “STM-nanosource” which uses the inelastic tunnel current between the tip of a scanning tunneling microscope (STM) and a metallic sample, to locally excite both localized and propagating surface plasmon polaritons. The interaction of our STM-nanosource and a circular plasmonic lens (a series of concentric slits etched in a thick gold film) produces a radially polarized microsource of low angular spread (≈±4°). The influence of the structural parameters on the angular spread of the resulting microsource is also investigated. In addition, a low angular spread (<±7°) for a large wavelength range (650-850 nm) is achieved. Thus this electrically-driven microsource of nearly collimated light has a broad spectral response and is optimal over a wide energy range, especially in comparison with other resonant plasmonic structures such as Yagi-Uda nanoantennas. The interaction of our STM-nanosource and an elliptical plasmonic lens (a single elliptical slit etched in a thick gold film) is also studied. When the STM excitation is located at the focal point position of the elliptical plasmonic lens, a directional light beam of low angular spread is acquired. Moreover, in the experiment we find that by changing the eccentricity of the elliptical plasmonic lens, the emission angle is varied. It is found that the larger the eccentricity of the elliptical lens, the higher the emission angle. This study provides a better understanding of how plasmonic nanostructures shape the emission of light. The interaction of STM-excited SPPs and a planar plasmonic multi-layer stack structure is also investigated. It is demonstrated that using STM excitation we can probe the optical band structure of the Au-SiO₂-Au stack. We find that the thickness of the dielectric plays an important role in changing the coupling between the modes. We also compare the results obtained by both laser and STM excitation of the same stack structure. The results indicate that the STM technique is superior in sensitivity. These findings highlight the potential of the STM as a sensitive optical nanoscopic technique to probe the optical bands of plasmonic nanostructures. Finally, the interaction of an STM-nanosource and an individual triangular plate is also studied. We find that when the STM excitation is centered on the triangular plate, there is no directional light emission. However, when the STM-nanosource is located on the edge of the triangle, directional light emission is obtained. This study provides us a novel avenue to achieve directional light emission. We also study probing the optical LDOS of the triangle with the STM-nanosource. Thus, our results show that the manipulation of light is achieved through SPP-matter interactions. Using plasmonic nanostructures, we control the collimation, polarization, and direction of the light originating from the STM-nanosource.

Grace à leurs propriétés électriques, antimicrobiennes et plasmoniques tout à fait exceptionnelles, les nanoparticules d’argent présentent un vif intérêt pour plusieurs secteurs technologiques. Selon l’application envisagée, il peut néanmoins être souhaitable d’ajuster certaines de ces caractéristiques. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail de maîtrise est d’explorer la possibilité de modifier des films de nanoparticules d’argent en balayant la surface avec un jet de plasma hors équilibre thermodynamique dans l’argon à la pression atmosphérique. En ayant recours à un champ électrique de haute fréquence (2450 MHz) pour la production du plasma d’argon ouvert à l’air ambiant, les températures des espèces neutres obtenues par spectroscopie optique d’émission peuvent atteindre 1500-2000 K selon les conditions opératoires, permettant ainsi de coupler l’interaction plasma-surface à des apports d’énergie thermique significatifs. Pour des nanoparticules d’argent de quelques dizaines de nm encapsulées dans une matrice carbonée et une distance entre le jet de plasma et la surface de 10 mm, le traitement fait apparaitre des microparticules polygonales munies d’arrêtes bien définies et réparties sur un lit de nanoparticules frittées. À titre de comparaison, des recuits thermiques à 1000-1300 K conduisent uniquement à des microparticules sphériques. Dans les deux cas (plasma et recuit), des analyses chimiques révèlent une oxydation de la surface des micro et nanostructures. Cependant, en ayant recours à des mesures par imagerie Raman hyperspectrale, seules les nanoparticules d’argent traitées par jet de plasma présentent une augmentation significative de l’intensité des pics de l’oxyde métallique. À plus fortes distances entre le jet de plasma et la surface, les modifications deviennent beaucoup plus rapides et font apparaître des structures plus complexes. Il est démontré que le retrait de la coquille carbonée joue un rôle important sur l’évolution morphologique et les signatures optiques. / Due to their unique electrical, antimicrobial and plasmonic properties, silver nanoparticles present a considerable interest for many applications. Depending on the foreseen use, it may be judicious to finely tune these characteristics. In this context, the objective of this master’s work is to explore the possibility of modifying silver nanoparticles by scanning the surface with an outof- thermodynamic equilibrium plasma jet operated in argon at atmospheric pressure. For opento- ambient-air argon plasmas sustained by high-frequency electric field (2450MHz), the neutral gas temperature obtained by optical emission spectroscopy can reach 1500-2000 K depending on the operating conditions. Hence, the plasma-surface interaction can rely on significant thermal energy input. For few tens of nm silver nanoparticles encapsulated in a carbonic matrix and a 10 mm distance between the plasma jet and the surface, polygonal microstructures with sharp edges on a bed of sintered nanoparticles is formed. As a comparison, thermal annealing at 1000- 1300 K yields to spherical microparticles. In both cases (thermal annealing and plasma treatment), chemical analysis reveals oxidation of the micro and nanostructures. However, based on hyperspectral Raman imaging, only the silver nanoparticles exposed to the plasma jet exhibit a significant rise in the Raman signal of oxidized silver. At higher plasma-jet-to-surface distance, plasma-induced modifications occur faster and produce even more complex structures. It is exposed that the removal of the carbonic shell plays an important role on the morphological evolution and the optical signatures.

Les polymères à empreintes moléculaires (MIP), également appelés "anticorps en plastique", sont des récepteurs biomimétiques synthétiques qui sont capables de reconnaître et lier une molécule cible avec une affinité et une spécificité comparables à celles des récepteurs naturels tels que des enzymes ou des anticorps. En effet, les MIP sont utilisés comme éléments de reconnaissance synthétiques dans les biocapteurs et biopuces pour la détection de petits analytes et les protéines. La technique d'impression moléculaire est basée sur la formation de cavités de reconnaissance spécifiques dans des matrices polymères par un procédé de moulage à l'échelle moléculaire. Pour la conception de capteurs et biopuces, une cinétique d'adsorption et une réponse du capteur rapide, l'intégration des polymères avec des transducteurs, et une haute sensibilité de détection sont parmi les principaux défis. Dans cette thèse, ces problèmes ont été abordés par le développement de nanocomposites MIP / d'or via le greffage du MIP sur les surfaces en utilisant des techniques de polymérisation dédiées comme l'ATRP qui est une technique de polymérisation radicalaire contrôlée (CRP). Ces techniques CRP sophistiquées sont en mesure d'améliorer considérablement les matériaux polymères. L'utilisation de l'ATRP dans le domaine de MIP a été limitée jusqu'à présent en raison de son incompatibilité inhérente avec des monomères acides comme l'acide méthacrylique (MAA), qui est de loin le monomère fonctionnel le plus largement utilisé dans les MIP. Ici, un nouveau procédé est décrit pour la synthèse de MIP par ATRP photo-initiée utilisant fac-[Ir(Ppy)3] comme catalyseur. La synthèse est possible à température ambiante et est compatible avec des monomères acides. Cette étude élargit considérablement la gamme de monomères fonctionnels et de molécules empreintes qui peuvent être utilisés lors de la synthèse de MIP par ATRP. La méthode proposée a été utilisée pour la fabrication de nanocomposites hiérarchiquement organisés sur des surfaces métalliques nanostructurés avec des nano-trous et nano-ilots, présentant des effets plasmoniques pour l'amplification du signal. La synthèse de films de MIP à l'échelle du nanomètre localisés sur la surface d'or a été démontrée. Des méthodes de transduction optiques, à savoir la résonance de plasmons de surface localisée (LSPR) et la spectroscopie Raman exaltée par effet de surface (SERS) ont été exploitées. Ces techniques se sont montrées prometteuses pour l'amélioration de la limite de détection dans la détection d'analytes biologiquement pertinents, y compris les protéines et le médicament propranolol. / Molecularly imprinted polymers (MIPs), also referred to as plastic antibodies, are synthetic biomimetic receptors that are able to bind target molecules with similar affinity and specificity as natural receptors such as enzymes or antibodies. Indeed, MIPs are used as synthetic recognition elements in biosensors and biochips for the detection of small analytes and proteins. The molecular imprinting technique is based on the formation of specific recognition cavities in polymer matrices by a templating process at the molecular level. For sensor and biochip development, fast binding kinetics of the MIP for a rapid sensor response, the integration of the polymers with transducers, and a high sensitivity of detection are among the main challenges. In this thesis, the above issues are addressed by developing MIP/gold nanocomposites by grafting MIPs on surfaces, using dedicated techniques like atom transfer radical polymerization (ATRP) which is a versatile controlled radical polymerization (CRP) technique. Theses ophisticated CRP techniques, are able to greatly improve the polymeric materials. The use of ATRP in the MIP field has been limited so far due to its inherent incompatibility with acidic monomers like methacrylic acid (MAA), which is by far the most widely used functional monomer. Herein, a new method is described for the MIP synthesis through photo-initiated ATRP using fac-[Ir(ppy)3] as ATRP catalyst. The synthesis is possible at room temperature and is compatible with acidic monomers. This study considerably widens the range of functional monomers and thus molecular templates that can be used when MIPs are synthesized by ATRP. The proposed method was used for fabrication of hierarchically organised nanocomposites based on MIPs and nanostructured metal surfaces containing nanoholes or nanoislands, exhibiting plasmonic effects for signal amplification. The fabrication of nanometer scale MIP coatings localized on gold surface was demonstrated. Optical transduction methods, namely Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) and Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) were exploited and shown that they hold great promise for enhancing the limit of detection in sensing of biologically relevant analytes including proteins and the drug propranolol.

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.