Afin de parvenir à des rendements élevés, les cellules solaires à couches minces de silicium doivent présenter une forte absorption de la lumière. Dans ce travail, nous proposons d'utiliser des nanoparticules et nanostructures métalliques comme nouvelle approche pour piéger la lumière au sein de cellules solaires à couches minces de silicium. Les propriétés optiques spécifiques des nanoparticules métalliques sont une conséquence de l'apparition d'un phénomène de résonance dans leur spectre d'absorption et de diffusion, connu sous le nom de résonance de «plasmon localisé de surface» (LSP : localized surface plasmons). Pour des particules suffisamment petites (<50nm), l'absorption LSP est accompagnée par une forte augmentation du champ électromagnétique à l'intérieur et au voisinage des nanoparticules, La première partie de ce travail est motivée par l'exploitation de ce renforcement du champ électromagnétique, Dans cette approche, l'objectif est de confiner la lumière dans la couche active des cellules solaires. La seconde approche est basée sur la diffusion de la lumière par des nanoparticules métalliques de diamètre supérieur à 50 nm ou par des nanostructures métalliques. La section efficace de diffusion d'une nanoparticule métallique augmente rapidement avec son diamètre et atteint un maximum à l'excitation LSP. Dans ce travail, des nanoparticules de diamètres supérieur à 50 nm et des nanostructures métalliques ont été incorporées dans la partie inférieure de cellules solaires en silicium amorphe ou microcristallin / In order to achieve high efficiencies, thin-film silicon solar cells need an efficient light absorption. In this thesis, we discuss new approaches based on metal nanoparticules and metal nanostructures for light trapping in thin-film silicon solar cells, The specific optical properties of metallic nanoparticles are a consequence of the appearence of a resonance in their absorption and scattering spectra, know as the localized surface plasmon( LSP) resonance. For sufficiently small particles (<50 nm), the LSP absorption is accompanied by a strong enhancement of the electromagnetic field inside and in the surrounding of the nanoparticles. The first part of this work is motivated by the utilization of this enhanced electromagnetic field. In this approach, we target to confine the light in the active layer of thin-film silicon solar cells, The second approach is based on the light scattering of large metal nanoparticles or nanostructures. The scateering cross section of metallic nanoparticules increases rapidly with their diameter and experiences a resonance at the LSP excitation. Therefore, large metal nanoparticules and metal nanostructures were integrated at the back side of thin-film silicon solar cells

In this work, the optical properties of two kinds of one-dimensional (1D) nanomaterials, mesoporous silicon nanowires (mpSiNWs) and plasmonic nanospirals (NSs), were studied. These emerging nanomaterials are of great interest because of their fundamental structure-derived properties and potential practical applications. Four aspects of these materials were analyzed in this work. First, although the fabrication mechanism of mpSiNWs has been studied previously via metal-assisted chemical etching, the porosification-induced disturbance to the etching direction, which plays a vital role in controlling the surface crystallinity of mpSiNWs, has not been characterized. In Chapter 2, I discuss the porosification etching mechanism of n-Si(111), which proceeds along the intrinsic back bond etching direction of [111] at room temperature. The porosification substantially weakens the back bonds under the sinking particles, resulting in the deviation of etching from [111]. The preferred direction of etching changes to that with a small angle α, because the direction-switching barrier increases with α and intrinsic back-bond etching is thermodynamically preferential. Second, mpSiNWs typically generate red photoluminescence (PL), but the PL mechanism is still under debate. A laser was used to oxidize the surfaces of mpSiNWs and tune the PL from red to greenish-blue (GB), as described in Chapter 3. The laser oxidation was tuned as a function of laser power, and a complex model of the laser-induced surface modification was proposed to account for the laser-power and post-annealing effect. The laser-induced modification of the PL of mpSiNWs may be useful for data encryption. Third, the fabrication of plasmonic NSs and the study of their optical activities are in their infancy. In Chapter 4, I describe the use of glancing-angle deposition (GLAD) to fabricate silver NSs (AgNSs) with controllable helicity and demonstrate that AgNSs have intrinsic optical responses that originate from their structural helicity. The optical activity of an AgNSs dispersion was characterized by circular dichroism (CD), and systematic engineering of the helicity revealed that their UV and visible optical activities have two different origins. Fourth, physical limits prohibit the sensitive differentiation of enantiomers. In Chapter 5, I describe the grafting of chiral molecules onto AgNSs, which dramatically enhanced the differentiation of L- and D-glutathione (GSH). AgNSs have very strong optical activities that are weakened by GSH adsorption. The severity of the chiroptical weakening effect varies with the absolute configuration of GSH, resulting in enantiomeric differentiation with an anisotropic g-factor of approximately 0.5. This chiral nanoplasmon-induced anisotropy g-factor is superior by 2 to 4 orders of magnitude to those obtained with other methods and about one-fourth of the theoretical value. This proposed method can be adapted to differentiate chiral drugs, which is highly desirable in the pharmaceutical industry for the production of single-enantiomer drugs.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de NÃvel Superior / O cÃlculo da luminescÃncia em um semicondutor de gap direto à feito por dois mÃtodos e, sÃo realizadas comparaÃÃes dos resultados teÃricos obtidos. No primeiro caso, o mÃtodo das funÃÃes de Green à utilizado e a interaÃÃo coulombiana entre o sistema elÃtron-buraco que compÃe o plasma, à tratada atravÃs da AproximaÃÃo de Fases AleatÃrias. Como resultado importante obtemos a funÃÃoo dielÃtrica, com a qual podemos associar a resposta Ãptica do sistema Ãs excitaÃÃes externas. No segundo caso, usamos a teoria diagramÃtica para obter a relaÃÃo de dispersÃo para o semicondutor de gap direto.

Applications of surface plasmon polaritons (SPPs) have thus far emphasized visible and near-infrared wavelengths. Extension into the long-wave infrared (LWIR) has numerous potential advantages for biosensors and waveguides, which are explored in this work. A surface plasmon resonance (SPR) biosensor that operates deep into the infrared (3-11 µm wavelengths) is potentially capable of biomolecule recognition based on both selective binding and characteristic vibrational modes. The goal is to operate such sensors at wavelengths where biological analytes are strongly differentiated by their IR absorption spectra and where the refractive index is increased by dispersion, which will provide enhanced selectivity and sensitivity. Potentially useful IR surface plasmon resonances are investigated on lamellar gratings formed from various materials with plasma frequencies in the IR wavelength range including doped semiconductors, semimetals, and conducting polymers. One outcome of this work has been the demonstration of a simple analytic formula for calculating the SPP absorption resonances in the angular reflectance spectra of gratings. It is demonstrated for Ag lamellar gratings in the 6-11 µm wavelength range. The recipe is semi-empirical, requiring knowledge of a surface-impedance modulation amplitude, which is found here by comparison to experiment as a function of the grating groove depth and the wavelength. The optimum groove depth for photon-to-SPP energy conversion was found by experiment and calculation to be ~10-15% of the wavelength. Hemicylindrical prism couplers formed from Si or Ge were investigated as IR surface plasmon couplers for the biosensor application. Strong Fabry-Perot oscillations in the angular reflectance spectra for these high index materials suggest that grating couplers will be more effective for this application in the LWIR. A variety of materials having IR plasma frequencies were investigated due to the tighter SPP mode confinement anticipated in the IR than for traditional noble metals. First doped-Si and metal silicides (Ni, Pd, Pt and Ti) were investigated due to their inherent CMOS compatibility. Rutherford backscattering spectroscopy, x-ray diffraction, scanning electron microscopy, secondary ion mass spectrometry and four point probe measurements complemented the optical characterization by ellipsometry. Calculation of propagation length and mode confinement from measured permittivities demonstrated the suitability for these materials for LWIR SPP applications. Semimetals were also investigated since their plasma frequencies are intermediate between those of doped silicon and metal silicides. The semimetal antimony, with a plasma frequency ~80 times less than that of gold was characterized. Relevant IR surface plasmon properties, including the propagation length and penetration depths for SPP fields, were determined from optical constants measured in the LWIR. Distinct resonances due to SPP generation were observed in angular reflection spectra of Sb lamellar gratings in the wavelength range of 6 to 11 µm. Though the real part of the permittivity is positive in this range, which violates the usual condition for the existence of bound SPP modes, calculations based on experimental permittivity showed that there is little to distinguish bound from unbound SPP modes for this material. The SPP mode decays exponentially away from the surface on both sides of the permittivity sign change. Water is found to broaden the IR plasmon resonances significantly at 9.25 micron wavelength where aqueous extinction is large. Much sharper resonances for water based IR SPR biosensor can be achieved in the 3.5 to 5.5 µm range. Nano-structured Au films (Au-black) were investigated as IR absorbers and possible solar cell enhancers based on surface plasmon resonance. The characteristic length scales of the structured films vary considerably as a function of deposition parameters, but the absorbance is found to be only weakly correlated with these distributions. Structured Au-black with a broad range of cluster length scales appear to be able to support multiple SPP modes with incident light coupling to the corrugated surface as seen by photoelectron emission microscopy (PEEM) and SPR experiments, supporting the hypothesis that Au-black may be a suitable material for plasmon-resonance enhancement solar-cell efficiency over the broad solar spectrum.

L’objectif principal de ce projet de doctorat porte sur le développement d’architectures nanostructurées afin d’étudier l’interaction par couplage dipôle dipôle entre des molécules chromophores et des particules colloïdales métalliques. Certains métaux nobles comme l’Au ou l’Ag possèdent d’intéressantes propriétés optiques lorsqu’ils se retrouvent sous la forme de nanoparticules. En effet, l’oscillation collective d’électron de conduction, propriété connue sous le nom de plasmon de surface localisé est responsable des couleurs vives et intenses de ces suspensions colloïdales. Ce plasmon de surface entraîne une forte concentration locale du champ électrique qui a été utilisé afin d’amplifier différentes méthodes spectroscopiques comme la fluorescence. L’exaltation de fluorescence par les métaux ou MEF permet d’améliorer les propriétés intrinsèques de fluorophores moléculaires par l’amplification de l’efficacité d’excitation et d’une diminution de leur temps de vie à l’état excité, résultant globalement en une augmentation de l’intensité de fluorescence. Un typed’architecture permettant d’exploiter cette exaltation MEF sont les nanoparticules hybrides coeur-coquille de type metal@silice. Cependant, qu’arrive-t-il lorsqu’on assemble ces nanoparticules en un assemblage plus complexe comme une chaîne de nanoparticules par exemple ? De nouvelles propriétés plasmoniques peuvent alors être exploitées tel le couplage plasmonique entre les nanoparticuleset la propagation d’un plasmon au sein de la chaîne. L’objectif de ce projet est donc d’étudier les propriétés plasmoniques de chaînes de nanoparticules coeur-coquille avec la fluorescence dans le but d’observer une propagation plasmonique. L’assemblage en chaîne de ces nanoparticules hybrides s’est effectué à l’aide d’une technique exploitant une étampe de polydiméthylsiloxane ridée afin d’aligner les nanoparticules à l’intérieur des nanorides formées. L’influence de propriétés géométriques de ces assemblages sur les propriétés de fluorescence d’unfluorophore connu, la fluorescéine, sera présentée. La caractérisation des propriétés optiques de couplages plasmonique par rapport à la taille des coeurs de nanoparticules Ag@SiO2@fluorophore a été réalisé à l’aide de techniques de microscopie de fluorescence, de diffusion en champ sombre et de microscopie de temps de vie de fluorescence. Ces informations fondamentales ont d’ailleurs été appliquées pour étudier la propagation plasmonique dans ces assemblages linéaires de nanoparticules hybrides à l’aide d’une nouvelle technique d’imagerie de fluorescence et plasmon par onde évanescente de guides d’onde photo-inscrits.De plus, une nouvelle technique d’excitation par onde évanescente de guides d’onde photo-inscrits sera présentée pour l’imagerie de propagation plasmonique. La fabrication de ces guides, par photoinscription dans des substrats de silice est réalisée en collaboration avec le groupe du Prof. Réal Vallée du Centre d’Optique, Photonique et Laser à l’aide d’un laser à impulsion femtoseconde. Le positionnement des guides d’onde près de la surface du substrat créer une méthode d’excitation en champ proche par l’onde évanescente éliminant ainsi les problèmes de signaux parasites provenant du volume avoisinant la surface.

Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada, Philosophiae doctor (Ph. D.) et Université de technologie de Troyes, Troyes, France / La nano-optique ouvre des portes à de nouvelles technologies afin de développer de nouveaux moyens de détections. L’avantage d’utiliser ce type de technologie provient de la taille nanométrique où les propriétés de la matière sont différentes de celle à l’état macroscopique. Notamment, lors de l’excitation de nanoparticules métalliques par des photons, il y a une oscillation harmonique du nuage électronique des électrons de surface formant ainsi un plasmon. La résonance plasmon peut interagir avec la matière à proximité. Par exemple, lorsqu'un fluorophore organique est placé à proximité du plasmon, il peut y avoir un couplage entre les dipôles des deux entités pouvant produire un transfert d’énergie. Dans certains cas, la particule peut absorber cette énergie et la redistribuer dans ses différents canaux de désexcitation radiatifs ou non. Dans ce projet, des nanoparticules composées d’un cœur de silice, d’une coquille d’or et d’une couche de silice externe ont été synthétisées. En dopant la silice des différentes couches avec deux types de fluorophores organiques, il sera possible d’étudier les différents modes de désexcitation du plasmon des nanocoquilles d’or. Les propriétés spectroscopiques des fluorophores tels le taux d’émission et le temps de vie de fluorescence sont influencés par les propriétés du plasmon. En étudiant ceux-ci en fonction de leur emplacement au sein de la structure, nous serons en mesure de décrire les qualités du plasmon des particules synthétisées par voie chimique. / Nano-optics is a gateway for new technologies that helps developing new detection methods. The advantage of using this type of technology comes from the nanometric scale where the properties of materials are different from that of the macroscopic state. For instance, when a metallic nanoparticle is excited by photons, there is a harmonic oscillation of the electron cloud of the surface’s electrons thus forming a plasmon. This oscillator can interact with its surrounding medium. As it is when a dye molecule is placed in the vicinity of the plasmon, there’s a coupling between the dipoles of the two entities allowing energy transfers. In some case, the particle can redistribute this energy through different channels of de-excitation leading to radiative and non-radiative path. In this project, the nanoparticles synthesized have a silica core with a gold shell topped with a silica layer. To study the plasmon’s de-excitation paths in the gold nanoshell, we have doped the silica core and shell with two kinds of fluorescent molecules. The interaction between the fluorophores and the plasmon can be seen by the modification of the spectroscopic properties of the dyes such as the emission rate and the fluorescence lifetime. By studying these according to their location within the structure, we will be able to describe the plasmon’s attributes of the chemically synthesized particles.

Ce travail de thèse porte sur la conception d’un « laboratoire-sur-fibre » original dédié à l’analyse moléculaire à distance, sans marquage et in vivo compatible dans l’avenir avec les examens endoscopiques et dédié à l’assistance aux diagnostiques. Notre approche est basée sur l’utilisation de faisceaux de fibres microstructurés. Lorsqu’ils sont correctement conçus et recouverts d’une couche d’or, ces assemblages de fibres présentent des propriétés plasmoniques intéressantes. Dans un premier temps, le modèle numérique utilisé pour atteindre une meilleure compréhension des phénomènes physiques impliqués dans l’optimisation de la sensibilité des capteurs est expliqué. Les simulations, basées sur l’optique géométrique, ont été utilisées pour optimiser la géométrie des pointes et l’épaisseur de la couche d’or dans le but d’améliorer les performances analytiques et permettre ainsi des détections d’interactions biochimiques. Le processus de fabrication des capteurs est ensuite expliqué depuis leur structuration par gravure chimique effectuée à l’ISM (Bordeaux) jusqu’à leur métallisation réalisée au CEA Grenoble. Une comparaison entre les comportements théoriques et expérimentaux et alors menée pour comprendre l’influence de l’hétérogénéité du dépôt d’or et des surfaces gravées sur la sensibilité optique. Ces propriétés optiques sont ensuite exploitées jusqu’à la preuve de concept d’analyses biochimiques déportées. Cette étape a été réalisée en deux temps : d’abord la sensibilité à l’indice local a été démontrée en détectant l’adsorption d’une couche organique auto-assemblée et ensuite un suivi de l’interaction spécifique entre deux brins d’ADN complémentaires a été effectué. Le manuscrit s’achève par une analyse des aspects plus complexes liés à la nature peu multimodale des fibres présentes dans le faisceau. La théorie des guides d’ondes est alors utilisée pour expliquer l’influence du caractère modal de la propagation de la lumière sur les réponses des fibres optiques. / This Ph.D. thesis focuses on the design of an original “lab-on-fiber” tool for remote, label-free in vivo molecular analysis that could be dedicated in the future to endoscopic diagnosis. Our approach is based on functionalized microstructured optical fiber bundles. When appropriately designed and covered by a gold layer, those fibers exhibit interesting plasmonic properties. First, the numerical model used to reach a better understanding of the physical phenomena involved in the optimization of the sensor’s sensitivity is explained. The simulations based on ray optics were then used to optimize the fiber tip geometry and gold coating thickness to enhance the analytical performances and ultimately allow biochemical detections. The fabrication process of the sensor is then explained going from the chemical etching done by the ISM team (Bordeaux) to the metallization of the tips performed at the CEA Grenoble. A comparison between theoretical and experimental behaviors is then conducted to assess the influence of the heterogeneity of both the gold deposit and the etched surfaces on the optical sensitivity. Afterwards, we take advantage of those optical properties to perform remote biochemical analysis. This was achieved in two steps: we first proved that our sensor was sensitive to local optical index variations by detecting the adsorption of a thin self-assembled organic layer and ultimately a specific interaction between two complementary DNA strands was monitored. The last part of this work tackles the more difficult aspects of the few-modes fibers composing the bundle. Waveguide theory is then used to explain the influence of the modal characteristics of light propagation on the optical fibers responses.

Longtemps cantonnées au visible et au proche IR, des nanostructures résonantes sont à présent réalisées dans l’IR, notamment en vue d'applications spectroscopiques. Pour étudier la réponse de ces nanostructures des moyens de caractérisation spécifiques doivent être mise en œuvre. Nous considérons la réponse IR de nano-structures et développons des outils à même de les caractériser. Nous nous sommes intéressés à des échantillons pouvant présenter des modes localisés de surface associés à des Plasmons Polaritons au sein de semiconducteurs fortement dopés ou des Phonons Polaritons dans des matériaux semiconducteurs polaires comme SiC. Cette étude a été menée d’abord en champ lointain (Spectroscopie à Transformée de Fourier et analyse Kramers-Kronig) pour étudier la réponse collective des nanostructures. Nous montrons que la fonction diélectrique de l’échantillon structuré peut être représentée par un oscillateur de Lorentz amortit modifié. Une permittivité effective est aussi déterminée par l’emploi de matrices de transfert pour rendre compte de la réflectivité complexe. L’étude en champ proche permet ensuite d’obtenir une réponse individuelle des structures. Nous développons ici une méthode d’extraction novatrice de l’amplitude et de la phase du signal avec un rapport signal à bruit optimum. Après avoir théoriquement et expérimentalement démontré la pertinence de l’approche, la signature de SPP localisés a pu être observée par des cartographies de champ complexe en fonction de la longueur d’onde. Les images obtenues sont confrontées à des simulations électromagnétiques et discutées / We studied the response of a nano-structured material to an IR electromagnetic excitation. For a given geometry, this response is dictated by the dielectric function to which phonons and free carriers contribute. In case of defect-free semiconductors the phonon response is the dominant term; however when we consider doped semi-conductors the plasmon response plays a major role. In both case, the permittivity functions can be negative with small losses which permits a resonant coupling between the surface modes and the electromagnetic excitation. Our work focuses on the development of experimental tools to analyze both SPP and SPhP. This study was conducted in the far-field regime to see a collective response and in the near-field regime to study nano-structures individually. In far-field, the experimental spectroscopic response of the material was conducted by Fourier Transform Infrared Reflectivity and Kramers-Kronig analysis. Quantitative information on the dielectric function was extracted using a modified Lorentz damped oscillator to fit the reflectivity. An effective permittivity is also retrieved using a transfer matrix method. The near-field study was done in a two-step procedure. The first step was the development of an innovative detection technique with optimum signal to noise ratio. The second step was the implementation of this technique to NSOM after proving its success. LSPP were detected using the developed NSOM. A spectroscopic study was performed as well. Experimental results were compared to theoretical ones obtained with electromagnetic simulations

Cette thèse porte sur l'étude de nanocomposites plasmoniques et, plus particulièrement, sur des couches minces de polymère dopées en nanoparticules d'or et d'argent. Les travaux réalisés concernent le développement de deux approches de fabrication originales fondées sur la synthèse in situ de nanoparticules dans une matrice de polymère sous irradiation. La première méthode envisagée étudie l’organisation de nanoparticules d’or dans les films de polymères en les irradiant de manière contrôlée dans l'espace par interférométrie laser. Ainsi, nous obtenons des réseaux de nanoparticules qui révèlent des propriétés de diffraction atypiques dont la réponse spectrale dépend fortement de la réponse plasmonique du système. Nous appelons ce phénomène diffraction amplifiée par plasmon. La seconde approche de fabrication développée a pour but de réaliser la synthèse de nanoparticules in situ dans des films de polymère sous rayonnement solaire concentré. Nous nous sommes intéressés, en particulier, à l'influence de l'irradiation solaire concentrée sur les processus de formation des nanoparticules et sur leur morphologie finale, dans le but de contrôler les propriétés optiques du système. Nous avons notamment montré qu’il est possible de contrôler la taille des nanoparticules d’or formées in situ dans les films de polymère, en faisant varier le flux du rayonnement solaire. En parallèle de ces travaux expérimentaux, une approche semi-analytique combinant une description des matériaux en termes de milieux effectif à la méthode RCWA (Rigorous Coupled Wave Analysis), a été développée pour calculer les propriétés optiques des nanocomposites. / This dissertation deals with the study of plasmonic nanocomposites and, more precisely, polymer thin films loaded with gold and silver nanoparticles. In this work, we developed two original fabrication techniques based on in situ synthesis of nanoparticles in polymer films under irradiation. In the first approach, our aim is to control the organization of the nanoparticles within the polymer films by using a spatially controlled irradiation by laser interferometry. We show that the plasmonic nanoparticle gratings thus formed present unusual diffractive properties that strongly depend on the plasmonic features of the system. We call this phenomena plasmon enhanced diffraction. In a second method, we study in situ synthesis of nanoparticles in polymer thin films under concentrated solar irradiation. This study is focused on the effect of concentrated solar irradiation on the growth mechanism and the morphology of the nanostructures. We have shown that it is possible to control the size of the gold nanoparticles synthesized in situ by varying the solar flux. Along with experiments, we developed a semi-analytical approach that combines modeling of the materials as effective media with the RCWA method (Rigorous Coupled Wave Analysis), which allows us to compute the optical properties of the nanocomposites.

Venir sonder de faibles quantités de molécules nécessite des capteurs ultra-sensibles. Il a été démontré que les capteurs plasmoniques pouvaient remplir ce rôle. Toutefois, même après trente ans de recherches, beaucoup de questions restent sans réponses. Dans cette étude nous tentons d'y répondre : que se passe-t-il lorsqu'une molécule s'adsorbe sur la surface d'une nanoparticule ? Lorsqu'une monocouche de molécule s'adsorbe ? Et que se passe-t-il pour les molécules suivantes ? Peut-on améliorer simplement la sensibilité et la lisibilité des nano-capteurs plasmoniques? Nous démontrons expérimentalement un comportement singulier lorsque la quantité de molécules dans le champ proche des nanoparticules est très faible, typiquement de quelques zeptogrammes. Afin de mesurer cette infime quantité de matière, des solutions d'amplification des signaux sont étudiées comme l'intégration de capteurs sur des micro-lentilles axicon, ou encore sur des nano-cavités de type Fabry-Perot. Nous avons développé les micro-lentilles axicon afin de palier la faible intensité du signal émanant de nanoparticules uniques. Elles ont pour but de redistribuer le champ électromagnétique, en faisceau de Bessel de faible ouverture numérique, donc facilement mesurable. Les nano-cavités optiques ont, quant à elles, étaient développées afin de diminuer l'amortissement des résonances plasmon et ainsi affiner les résonances et augmenter la lisibilité des capteurs.Toutes ces études ont un même but : détecter in-situ les marqueurs de maladies à des concentrations infinitésimales afin de traiter les patients avant les premiers symptômes / Ultra sensitive sensors are required to probe very low concentrations of molecules. It has been shown that plasmonic nano-sensors could play this role. Nevertheless, even after thirteen years of research, a lot of questions remain unanswered.We will try to answer them in this study: what happens when a single molecule is adsorbed on a nanoparticle surface? In a monolayer? And what happens for the next layer of molecules? Can we easily enhance the sensitivity and the readability of sensors? We demonstrate experimentally a singular behavior when the quantity of molecules in the near-field region is very low, typically in the zeptogram level. To measure the low quantity of matter, different techniques to enhance the signal are studied: integration of sensor on axicon micro-lenses of Fabry-Perot like nano-cavities. We developed axicon micro-lenses to increase the intensity of unique nanoparticle signal. They redistribute the electromagnetic field into a Bessel beam with low numerical aperture, allowing an easy collection in far field. Nano-cavities have been designed to decrease the damping and refine the plasmonic resonance to increase the readability of the sensors. All these studies have the same target: to detect in-situ disease markers at very low concentrations in order to treat the patients before the first symptoms