L’objet de cette étude concerne l’exploration, à la fois sur le plan théorique et expérimental, de la possibilité d’utilisation des métamatériaux pour des applications dans le domaine de la photonique aux longueurs d’onde télécoms (λ=1.5µm). L’un des principaux objectifs adressés dans le cadre de la thèse est de réaliser l’ingénierie de l’indice effectif en utilisant des résonances des plasmons de surface localisés des métamatériaux métallo-diélectriques. Deux cas particulièrement importants du point de vue de la réalisation technologique sont considérés :• Propagation en espace libre quand une onde lumineuse sous incidence normale ou oblique interagit avec une surface diélectrique recouverte d’une monocouche de métamatériaux.• Propagation dans une configuration guide d’onde avec une monocouche de métamatériaux à la surface d’un guide d’onde en Silicium.Les résultats des modélisations et des mesures expérimentales montrent que les propriétés optiques d’une mono-couche de métamatériau peuvent être décrites par celle d’une couche homogène avec un certain indice effectif. L’épaisseur de cette couche est égale à celle des motifs métalliques, à condition qu’elle soit inférieure à quelques dizaines de nm. Pour des faibles facteurs de remplissage en surface, l’indice de réfraction d’une telle couche suit l’approximation de Maxwell-Garnett. Cet indice effectif ne dépend pas de l’angle d’incidence ni de l’orientation de la polarisation de la lumière (perpendiculaire ou dans le plan d’incidence). Au voisinage de la fréquence de résonance pour un facteur de remplissage de métamatériau de 20% en surface on obtient un indice de réfraction très élevé : neff=10. Cet indice de réfraction est plusieurs fois supérieur à celui qu’on trouve dans des matériaux naturels. L’adaptation de cette approche à configuration guidée à utiliser une structure hybride composée d’une couche de métamatériau à la surface d’un guide d’onde en Silicium. Les travaux réalisés ont permis de démontrer la possibilité d’effectuer l’ingénierie de l’indice effectif et de contrôler le niveau des pertes d’un tel guide d’onde hybride en utilisant des métamatériau métallo-diélectriques à base des fils d’Au de 200X50X50nm. Le contraste d’indice au voisinage de la ligne de la résonance donné par des modélisations et confirmé expérimentalement est de ±1.5, soit plus que ce que l’on peut obtenir avec un guide Silicium gravé. Ce résultat représente une première démonstration sur le plan international de fonctionnement des métamatériaux en configuration guidée.De plus, en contrôlant l’orientation des motifs de métamatériaux, on peut réaliser un indice anisotrope. Les résultats obtenus ouvrent des perspectives très prometteuses pour la réalisation de dispositifs en optique guidée utilisant les transformations d’espace. / The subject of the PhD thesis deals with metamaterials for photonic applications. The main objective is to investigate the potential of metallic metamaterials for building optical functions at NIR optical frequencies. A significant part of the work is focused on the engineering of the metamaterials effective index associated with localized plasmon resonances. Two configurations of particular importance for fabrication technology are considered:• Free space light propagation, with the incident electromagnetic wave interacting with single metafilms at either normal or oblique incidence. • Guided wave configuration, with single metamaterial layer placed on top of dielectric waveguide.For the free space configuration, the validity of the effective medium approach was investigated both numerically and experimentally with the example of metamaterials composed of either gold cut wires or split ring resonators and continuous wires on silicon substrate. On the basis of these examples it was shown that the metafilm behavior is indeed analogous to that of a homogeneous layer. The thickness of this layer is that of the deposited metal. The validity of this conclusion was verified with respect to a number of criteria consistent with the Maxwell-Garnett approximation. It was shown in particular that near the resonance frequency the effective index of the metafilm layer can reach very high values neff=10 that cannot be attained with natural materials.The effective medium approach developed for a single metamaterial layer in free space configuration was further extended to a guided wave configuration. The objective is to achieve an efficient control over the flow of light in the waveguide using effective index variations induced by metamatarial resonances. The possibility of achieving a significant effective index variation with a silicon slab waveguide covered by 200X50X50nm cut wires was investigated by numerical modeling and confirmed by experimental results. The magnitude of local index variation in the vicinity of the resonance frequency deduced from experimental data is as high as ±1.5. The possibility for controlling the local effective index at the nanoscale can be used in transformation optics applications. The hybrid metamaterial guided wave configuration may become a promising alternative to the bulk multi-layers metamaterial structures in the near infrared domain.

Les biopuces sont des outils d'analyse et de diagnostic de plus en plus utilisés dans le domaine de la génétique et de la pharmacie. Cette thèse s'est plus particulièrement intéressée aux puces à ADN qui sont constituées d'un support sur lequel sont fixés des brins d'ADN. On détecte l'hybridation de ces brins avec des cibles de séquence complémentaire présentes au sein d'un échantillon. Cette détection se fait généralement par des mesures de fluorescence. En l'absence de marqueurs fluorescents on utilise souvent une détection par résonance plasmon. Cette thèse a permis de développer de nouvelles architectures visant à améliorer les performances finales de ces dispositifs. La sensibilité (optimisation de la densité de sondes), la sélectivité (minimisation des adsorptions non spécifiques) et la reproductibilité sont très fortement dépendantes de la structure et des propriétés physico-chimiques de la première couche moléculaire utilisée pour l'immobilisation des sondes. L'incorporation d'une couche de silicium amorphe carboné au sein de l'architecture a permis de tirer profit des avancées réalisées ces dernières années dans la chimie de greffage du silicium. En optimisant les caractéristiques de cette couche, on réalise des biopuces présentant une grande stabilité et une sensibilité augmentée tant pour la fluorescence que pour la résonance plasmon. En combinant les deux techniques au sein d'un même capteur réutilisable, on peut détecter in situ et en temps réel l'hybridation de brins d'ADN présents dans une solution très diluée (5 10-15 mol/L) et discriminer efficacement des cibles présentant seulement un mésappariement dans leur séquence.

Le travail présenté dans ce manuscrit a permis de mettre en lumière les différentes possibilités menant à l'optimisation de l'efficacité de capteurs basés sur la résonance de plasmons de surface localisé (RPSL) et fabriqués par des techniques contrôlant précisément la géométrie des nanostructures métalliques. L'accent a été mis plus particulièrement sur les capteurs par RPSL et sur les capteurs par diffusion Raman exaltée de surface (DRES). Le premier chapitre a rappelé les paramètres clés menant à l'optimisation recherchée, i.e., la nature du métal, la taille de la nanoantenne, sa forme, son milieu environnant, la polarisation du champ électrique incident, la séparation entre les nanoparticules et la présence d'ordres supérieurs. Le second chapitre s'est davantage centré sur les capteurs DRES en exposant le principe et les possibilités d'optimisation de leur signal dans le cas de rangées de nanostructures d'or. Le chapitre 3 s'est consacré à l'observation de l'allure du champ électromagnétique local (amplitude et longueur de décroissance) par l'étude du couplage champ proche entre les nanoparticules d'or.

Ce travail vise à utiliser des surfaces d'alumine nanostructurées pour guider la croissance et l'organisation de particules métalliques (Ag, Au et AgxAu1-x), et à les tester en tant que substrats SERS-actifs robustes et réutilisables. Nous avons utilisé la spectrophotométrie pour la caractérisation des propriétés optiques résultantes, l'ellipsométrie spectroscopique pour l'extraction des indices optiques et la microscopie électronique en transmission pour les caractérisations structurales. La diffusion Raman exaltée de surface (SERS) a été utilisée pour la détection de molécules de bipyridine adsorbées sur la surface des échantillons, en collaboration avec l’Institut des Matériaux Jean Rouxel de Nantes. Nous étudions d'abord des systèmes de nanoparticules monométalliques et bimétalliques afin de comprendre les modes de croissance de telles assemblées. Nous montrons que des arrangements différents de nanoparticules bimétalliques sont obtenus selon la séquence de dépôt utilisée et qu'un alliage est obtenu à l'issue de recuits ex situ sous vide. Les propriétés optiques en champ proche et lointain de nanoparticules d'alliage AgxAu1-x noyées dans une matrice d'Al2O3 sont comparées numériquement à celles des métaux purs, par la méthode de calcul des différences finies dans le domaine temporel. Les résultats indiquent que l’amplification du champ pour les nanoparticules de métal pur est plus élevée que pour les nanoparticules d’alliage. Enfin, les expériences SERS menées sur un système dichroïque de nanoparticules d’Ag plus ou moins couplées montrent que l'on peut obtenir un signal SERS intense avec des nanoparticules recouvertes. / The aim of this work is to use nanostructured alumina surfaces to guide the growth and to optimize the organization of metallic particles (Ag, Au and AgxAu1-x), and to test those systems as reusable SERS-active substrates. We used spectrophotometry to characterize the resulting optical properties, spectroscopic ellipsometry for the determination of the optical index and transmission electron microscopy for the structural characterizations. Surfaced-enhanced Raman spectroscopy (SERS) was used for the detection of adsorbed bipyridine molecules on the sample surface, in collaboration with the Institut des Matériaux Jean Rouxel at Nantes. We first study systems consisting of monometallic and bimetallic nanoparticles in order to understand the growth modes of such particle assemblies. A particular attention is paid to the influence of the sequential deposition of Au and Ag on the structural and optical properties. We show that different arrangements of bimetallic nanoparticles are obtained according to the deposition sequence used and that an alloy is obtained after ex situ annealing under vacuum. The near-field and far-field optical properties of AgxAu1-x nanoparticle alloys embedded in an alumina matrix are compared numerically by the finite difference time domain method, with those of pure metal nanoparticles. Our results indicate that pure metal nanoparticles exhibit a greater field enhancement than alloy nanoparticles. Finally, SERS experiments conducted with a dichroic system made of coupled Ag nanoparticles show that an intense SERS signal can be obtained with coated nanoparticles.

Les matériaux composites peuvent présenter des propriétés qu'aucun des composants individuels ne présente. En outre, à l'échelle du nanomètre les nanocomposites peuvent présenter de nouvelles propriétés par rapport à l'état massif ou à des macrocomposites des mêmes composants en raison d’effets de confinement et d’effets quantiques liés à la taille. Les nanocomposites semi-conducteur/métal sont très intéressants en raison de leurs uniques propriétés catalytiques et opto-électroniques et la possibilité de les ajuster facilement. Ce travail de thèse étudie les interactions spécifiques et les propriétés physiques qui se manifestent dans les films minces de ZnO et nanocomposites ZnO-Au synthétisés par pulvérisation magnétron réactive continue. Premièrement, il est observé qu’il est possible d'ajuster les propriétés microstructurales et optiques des couches de ZnO en réglant les paramètres expérimentaux. La croissance épitaxiale de ZnO sur saphir a été réalisée pour la première fois dans des conditions riches en oxygène sans assistance thermique. En outre, une étude des propriétés optiques met en évidence la relation étroite entre les propriétés optiques et de la chimie des défauts dans les couches minces de ZnO. Un modèle a été proposé pour expliquer la grande dispersion des valeurs de gap rencontrées dans la littérature. Deuxièmement, il a été possible de révéler l'influence profonde de l'incorporation de l'or dans la matrice de ZnO sur des propriétés importantes dans des films nanocomposites. En outre, la présence de défauts donneurs (accepteurs) au sein de la matrice ZnO se permet de réduire (oxyder) les nanoparticules d’or. Ce travail de recherche contribue à une meilleure compréhension des nanocomposites semi-conducteurs/métal et révèle le rôle important de l'état de la matrice semi-conductrice et de la surface des particules pour les propriétés finales du matériau / Composite materials can exhibit properties that none of the individual components show. Moreover, composites at the nanoscale can present new properties compared to the bulk state or to macro-composites due to confinement and quantum size effects. The semiconductor/metal nanocomposites are highly interesting due to their unique catalytic and optoelectronic properties and the possibility to tune them easily. This PhD work gives insight into the specific interactions and resulting physical properties occurring in ZnO and ZnO-Au nanocomposite films grown by reactive DC magnetron sputtering. The results can be summarized in two points: First, it was possible to tune the microstructural and optical properties of ZnO. Epitaxial growth of ZnO onto sapphire was achieved for the first time in O2-rich conditions without thermal assistance. Also, a study of the optical properties highlights the close relationship between the bandgap energy (E_g ) and the defect chemistry in ZnO films. A model was proposed to explain the large scatter of the E_g values reported in the literature. Second, the deep influence of the incorporation of gold into the ZnO matrix on important material properties was revealed. Moreover, the presence of donor (acceptor) defects in the matrix is found to give rise to the reduction (oxidation) of the Au nanoparticles. This research work contributes to a better understanding of semiconductor/metal nanocomposites revealing the key role of the state of the semiconductor matrix

Dans ce travail de thèse, la synthèse de nanoparticules d'argent (Ag) est réalisée par une méthode simple, efficace et rapide basée sur la réduction du nitrate d'argent (AgNO3) dans un milieu organique (éthanol) sous chauffage par irradiation micro-ondes (MW) pendant quelques secondes en présence d'une émulsion aqueuse de copolymère latex. Les expériences ont été effectuées soit de manière séquentielle en faisant varier les paramètres expérimentaux les uns après les autres (approche classique) ou bien en moyennant la méthodologie des plans d'expérience qui sert à varier simultanément ces conditions expérimentales dans le but à la fois d'optimiser et d'évaluer l'impact de ces facteurs sur les propriétés physico-chimiques des particules produites. L'objectif est d'arriver à préparer un maximum de concentration en nanoparticules d'argent avec un minimum de concentration en copolymère latex et en AgNO3. Les nanoparticules préparées sont trouvées extrêmement stables en solution colloïdale avec des distributions de taille très étroites, ce qui confirme la qualité élevée et le diamètre uniforme des nanoparticules obtenues par l'approche de synthèse micro-ondes. Ceci pourrait être probablement dû à l'effet de stabilisation produit par les molécules du latex, qui est un bon environnement pour contrôler efficacement la croissance de nanoparticules métalliques d'argent. En tant que principal objectif d'une telle réalisation de la synthèse de nanoparticules d'argent par la méthode MW ouvre la voie à l'exploitation d'effets plasmoniques de surface dans des réactions photocatalytiques en utilisant des structures semi-conductrices bien définies (Bi2O3, In2O3, TiO2...). / In this thesis work, the synthesis of silver nanoparticles (Ag) is carried out by a simple, efficient and fast method based on the reduction of silver nitrate (AgNO3) in an organic medium (ethanol) under heating by micro irradiation (MW) for a few seconds in the presence of an aqueous emulsion of latex copolymer. The experiments were performed either by varying the experimental parameters one after the other (classical approach) or by means of the experimental design methodology which serves to vary simultaneously these experimental conditions in order to both optimize and evaluate the impact of these factors on the physicochemical properties of the nanoparticles. The main goal is to prepare a maximum concentration of silver nanoparticles with a minimum concentration of latex copolymer and AgNO3. The prepared nanoparticles were found to be extremely stable in colloidal solution with very narrow size distributions, which confirms the high quality and the uniform diameter of the nanoparticles obtained by the microwave synthesis approach. This could possibly be due to the stabilizing effect produced by the latex molecules, which is a good environment for effectively controlling the growth of metallic silver nanoparticles. As the main objective of such realization of the silver nanoparticle synthesis by the MW method opens the way to the exploration of surface plasmonic effects in photocatalytic reactions using well-defined semiconducting structures (Bi2O3 , In2O3, TiO2 ...).