Les méta-surfaces permettent de contrôler efficacement es rayonnements électromagnétiques en manipulant la phase, l'amplitude et la polarisation des ondes. Pour de nombreuses applications, telles que des fonctions d’agilité, de commutations et de détection, des surfaces de haute performance sont nécessaires. L’objectif de cette thèse est d'explorer des méthodes innovantes permettant d'améliorer les facteurs de qualité des méta-surfaces dans les domaines micro-ondes et optique. La limitation des méta-surfaces est généralement liée aux pertes par rayonnement et à l'absorption non radiative. L'étude se concentre sur des solutions permettant la suppression des pertes de rayonnement en utilisant des concepts de mode sombre et de résonance de Fano. Un mécanisme d'excitation direct de mode sombre dans un résonateur individuel basé sur l’adaptation de symétrie est proposé. La possibilité d'améliorer l'efficacité de la réponse magnétique en optique est présentée. L'analyse de l'excitation par résonance de Fano dans un système de résonateurs couplés identiques est également réalisée sur la base du formalisme de la théorie des modes couplés. Deux configurations générales correspondant à l'arrangement spatial symétrique et énantiomères des résonateurs sont considérées. Dans le premier cas, le système de cavité formé par les méta-surfaces très proches fournit des caractéristiques spectrales très étroites et une sensibilité efficace élevée par rapport aux cavités Fabry-Perot conventionnelles. Dans le second cas, les caractéristiques de conception permettent de contrôler la suppression des pertes de rayonnement, permettant d'augmenter considérablement le facteur de qualité de la résonance de Fano. / Metasurfaces allows an effective control of electromagnetic radiation by manipulating phase, amplitude and polarization of electromagnetic waves. For numerous applications including tunable, switchable and sensing functionalities, high performance metasurfaces are required. The goal of this thesis is to explore innovative methods enabling to improve the quality factors of metasurfaces in microwave and optical domains. The limitation of metasurfaces is generally related to radiation losses and non-radiative absorption. The study is focused on solutions allowing the suppression of radiative losses by using concepts of dark mode and Fano resonance. A direct dark mode excitation mechanism in individual resonator based on symmetry matching is proposed. The possibility to enhance magnetic response efficiency in optical frequency range is presented. Analysis of Fano resonance excitation in a system of identical coupled resonators is also performed on the basis of coupled mode theory formalism. Two general configurations are considered corresponding to symmetric and enantiomeric space arrangement of resonators. In the first case, cavity system formed by near-field coupled metasurfaces provides sharp spectral characteristics and high efficient sensitivity compared to conventional Fabry-Perot cavities. In the second case the design features enables to control suppression of radiation losses, allowing to considerably increase Fano resonance quality factor.

Dans ce travail, les propriétés des réseaux diffractifs ordonnés de nanoparticules d'or sont étudiées numériquement et expérimentalement. Ces résonances sont beaucoup plus étroites que celles observées dans le cas d'une nanoparticule isolée. D'après les simulations numériques, deux régimes distincts de réponse sont identifiés, l'un correspond à l'anomalie de Rayleigh (RA) l'autre au mode plasmon de réseau 2D (LPM). Dans la partie expérimentale nous avons fabriqué des réseaux de nanoparticules d'or en utilisant la lithographie d'électronique. La transmission spectrale a été mesurée dans le domaine optique pour caractériser ces réseaux. Toutes les caractéristiques essentielles des spectres expérimentaux sont en bon accord avec les simulations numériques. Les distributions du champ électrique pour différents paramètres de réseau sont étudiées pour obtenir le maximum d'augmentation du champ à la surface de la nanoparticule. L'excitation des résonances plasmon dans les réseaux diffractifs de nanoparticules d'or en condition asymétrique de l'indice de réfraction est examinée expérimentalement. L'excitation des modes plasmon à profil spectral étroit dans l'environnement asymétrique a été expérimentalement vérifiée. La possibilité d'accorder la longueur d'onde de ces résonances dans le proche infrarouge en changeant les paramètres structurels des réseaux périodiques en combinant taille et forme des nanoparticules est discutée. Ces résultats sont importants pour les applications telles que les spectroscopies en champ électrique exalté et la détection en biologie ou en chimie. / The properties of ordered diffractive arrays of gold nanoparticles are studied numerically and experimentally. Using numerical simulations I identify, two distinct regimes of lattice response, associated with two-characteristic states of the spectra: Rayleigh anomaly and lattice plasmon mode. In experimental part gold nanoparticle arrays were fabricated using e-beam lithography. Spectroscopic transmission measurements then were carried out to optically characterize these arrays. All the essential features of the experimental spectra were reproduced well by numerical simulations. Electric field distributions for different lattice parameters are studied in order to maximize the enhancement of electric field at the nanoparticle surface. The excitation of plasmon resonances in diffractive arrays of gold nanoparticles placed in asymmetric refractive index environment is examined experimentally. The excitation of the plasmon modes with narrow spectral profile in asymmetric environment was experimentally verified. The ability to tune the wavelength of these resonances in the near infrared range by varying the structural parameters of the periodic arrays in combination with size and geometry of the constituent nanoparticles is discussed. The presented results are of importance for the field enhanced spectroscopy as well as for plasmonic bio and chemical sensing.

Les nanotubes de carbone et le graphène sont des nanostructures de carbone hybridé en sp2 dont les propriétés électriques et optiques soulèvent un intérêt considérable pour la conception d’une nouvelle génération de dispositifs électroniques et de matériaux actifs optiquement. Or, de nombreux défis demeurent avant leur mise en œuvre dans des procédés industriels à grande échelle. La chimie des matériaux, et spécialement la fonctionnalisation covalente, est une avenue privilégiée afin de résoudre les difficultés reliées à la mise en œuvre de ces nanostructures. La fonctionnalisation covalente a néanmoins pour effet de perturber la structure cristalline des nanostructures de carbone sp2 et, par conséquent, d’affecter non seulement lesdites propriétés électriques, mais aussi les propriétés optiques en émanant. Il est donc primordial de caractériser les effets des défauts et du désordre dans le but d’en comprendre les conséquences, mais aussi potentiellement d’en exploiter les retombées. Cette thèse traite des propriétés optiques dans l’infrarouge des nanotubes de carbone et du graphène, avec pour but de comprendre et d’expliquer les mécanismes fondamentaux à l’origine de la réponse optique dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Soumise à des règles de sélection strictes, la spectroscopie infrarouge permet de mesurer la conductivité en courant alternatif à haute fréquence des matériaux, dans une gamme d’énergie correspondant aux vibrations moléculaires, aux modes de phonons et aux excitations électroniques de faible énergie. Notre méthode expérimentale consiste donc à explorer un espace de paramètres défini par les trois axes que sont i. la dimensionnalité du matériau, ii. le potentiel chimique et iii. le niveau de désordre, ce qui nous permet de dégager les diverses contributions aux propriétés optiques dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la spectroscopie infrarouge des nanotubes de carbone monoparois sous l’effet tout d’abord du dopage et ensuite du niveau de désordre. Premièrement, nous amendons l’origine couramment acceptée du spectre vibrationnel des nanotubes de carbone monoparois. Par des expériences de dopage chimique contrôlé, nous démontrons en effet que les anomalies dans lespectre apparaissent grâce à des interactions électron-phonon. Le modèle de la résonance de Fano procure une explication phénoménologique aux observations. Ensuite, nous établissons l’existence d’états localisés induits par la fonctionnalisation covalente, ce qui se traduit optiquement par l’apparition d’une bande de résonance de polaritons plasmons de surface (nanoantenne) participant au pic de conductivité dans le térahertz. Le dosage du désordre dans des films de nanotubes de carbone permet d’observer l’évolution de la résonance des nanoantennes. Nous concluons donc à une segmentation effective des nanotubes par les greffons. Enfin, nous montrons que le désordre active des modes de phonons normalement interdits par les règles de sélection de la spectroscopie infrarouge. Les collisions élastiques sur les défauts donnent ainsi accès à des modes ayant des vecteurs d’onde non nuls. Dans une deuxième partie, nous focalisons sur les propriétés du graphène. Tout d’abord, nous démontrons une méthode d’électrogreffage qui permet de fonctionnaliser rapidement et à haute densité le graphène sans égard au substrat. Par la suite, nous utilisons l’électrogreffage pour faire la preuve que le désordre active aussi des anomalies dépendantes du potentiel chimique dans le spectre vibrationnel du graphène monocouche, des attributs absents du spectre d’un échantillon non fonctionnalisé. Afin d’expliquer le phénomène, nous présentons une théorie basée sur l’interaction de transitions optiques intrabandes, de modes de phonons et de collisions élastiques. Nous terminons par l’étude du spectre infrarouge du graphène comportant des îlots de bicouches, pour lequel nous proposons de revoir la nature du mécanisme de couplage à l’œuvre à la lumière de nos découvertes concernant le graphène monocouche. / Carbon nanotubes and graphene are sp2 hybridized carbon nanostructures which electrical and optical properties raise considerable interest for the design of a new generation of electronic devices and optically active materials. However, many challenges remain before their implementation in industrial processes on a large scale. Materials chemistry, especially covalent functionalization, is a privileged avenue to resolve the difficulties related to the processing of these nanostructures. Covalent functionalization, however, disrupts the sp2 carbon nanostructures’ crystalline structure, and pertubs not only said electrical properties, but also the deriving optical properties. It is therefore essential to characterize the effects of defects and disorder in order to understand their consequences, but also to potentially exploit the benefits. This thesis deals with the optical properties in the infrared of carbon nanotubes and graphene, with the aim to understand and explain the fundamental mechanisms at the origin of the optical response in the infrared of sp2 carbon nanostructures. Subject to strict selection rules, infrared spectroscopy measures the high frequency AC conductivity of materials in an energy range corresponding to molecular vibrations, phonon modes and low energy electronic excitations. Our experimental method is therefore to explore a parameter space defined by the three axes that are i. the dimensionality of the material, ii. the chemical potential, and iii. the disorder level, which allows us to identify the various contributions to optical properties in the infrared of sp2 carbon nanostructures. At first, we focus on the infrared spectroscopy of single-walled carbon nanotubes as a function of doping and disorder level. We start by amending the commonly accepted origin of single-walled carbon nanotubes vibrational spectra. Using controlled chemical doping experiments, we show that the anomalies in the carbon nanotube spectra appear through electron-phonon interactions. The Fano resonance model provides a phenomenological explanation for the observations. Then, we establish the existence of localized states induced by covalent functionalization, which appear as a surface plasmon polariton resonance (nanoantenna) contributing to the terahertz conductivity peak. Control of the disorder level in carbon nanotube films allows us to observe the evolution of the nanoantenna resonance. We therefore conclude to an effective segmentation of the nanotubes by the grafts. Finally, we show that disorder activates phonon modes that are usually forbidden by infrared spectroscopy’s selection rules. Disorder-induced infrared activity originates from elastic collisions on defects that give access to phonon modes with non-zero wave vectors. In a second part, we focus on the properties of graphene. First, we demonstrate an electrografting method to rapidly functionalize graphene with high-density, regardless of the substrate. Subsequently, we use electrografting to show that disorder activates chemical potential dependent anomalies in the vibrational spectra of single-layer graphene. These anomalies are absent in the spectra of pristine samples. In order to explain this phenomenon, we present a theory based on the interaction of intraband optical transitions, phonon modes and elastic collisions. We conclude by studying the infrared spectra of graphene with bilayer islands, for which we propose to review the nature of the coupling mechanism in the light of our findings on single-layer graphene.

Les nanotubes de carbone et le graphène sont des nanostructures de carbone hybridé en sp2 dont les propriétés électriques et optiques soulèvent un intérêt considérable pour la conception d’une nouvelle génération de dispositifs électroniques et de matériaux actifs optiquement. Or, de nombreux défis demeurent avant leur mise en œuvre dans des procédés industriels à grande échelle. La chimie des matériaux, et spécialement la fonctionnalisation covalente, est une avenue privilégiée afin de résoudre les difficultés reliées à la mise en œuvre de ces nanostructures. La fonctionnalisation covalente a néanmoins pour effet de perturber la structure cristalline des nanostructures de carbone sp2 et, par conséquent, d’affecter non seulement lesdites propriétés électriques, mais aussi les propriétés optiques en émanant. Il est donc primordial de caractériser les effets des défauts et du désordre dans le but d’en comprendre les conséquences, mais aussi potentiellement d’en exploiter les retombées. Cette thèse traite des propriétés optiques dans l’infrarouge des nanotubes de carbone et du graphène, avec pour but de comprendre et d’expliquer les mécanismes fondamentaux à l’origine de la réponse optique dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Soumise à des règles de sélection strictes, la spectroscopie infrarouge permet de mesurer la conductivité en courant alternatif à haute fréquence des matériaux, dans une gamme d’énergie correspondant aux vibrations moléculaires, aux modes de phonons et aux excitations électroniques de faible énergie. Notre méthode expérimentale consiste donc à explorer un espace de paramètres défini par les trois axes que sont i. la dimensionnalité du matériau, ii. le potentiel chimique et iii. le niveau de désordre, ce qui nous permet de dégager les diverses contributions aux propriétés optiques dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la spectroscopie infrarouge des nanotubes de carbone monoparois sous l’effet tout d’abord du dopage et ensuite du niveau de désordre. Premièrement, nous amendons l’origine couramment acceptée du spectre vibrationnel des nanotubes de carbone monoparois. Par des expériences de dopage chimique contrôlé, nous démontrons en effet que les anomalies dans lespectre apparaissent grâce à des interactions électron-phonon. Le modèle de la résonance de Fano procure une explication phénoménologique aux observations. Ensuite, nous établissons l’existence d’états localisés induits par la fonctionnalisation covalente, ce qui se traduit optiquement par l’apparition d’une bande de résonance de polaritons plasmons de surface (nanoantenne) participant au pic de conductivité dans le térahertz. Le dosage du désordre dans des films de nanotubes de carbone permet d’observer l’évolution de la résonance des nanoantennes. Nous concluons donc à une segmentation effective des nanotubes par les greffons. Enfin, nous montrons que le désordre active des modes de phonons normalement interdits par les règles de sélection de la spectroscopie infrarouge. Les collisions élastiques sur les défauts donnent ainsi accès à des modes ayant des vecteurs d’onde non nuls. Dans une deuxième partie, nous focalisons sur les propriétés du graphène. Tout d’abord, nous démontrons une méthode d’électrogreffage qui permet de fonctionnaliser rapidement et à haute densité le graphène sans égard au substrat. Par la suite, nous utilisons l’électrogreffage pour faire la preuve que le désordre active aussi des anomalies dépendantes du potentiel chimique dans le spectre vibrationnel du graphène monocouche, des attributs absents du spectre d’un échantillon non fonctionnalisé. Afin d’expliquer le phénomène, nous présentons une théorie basée sur l’interaction de transitions optiques intrabandes, de modes de phonons et de collisions élastiques. Nous terminons par l’étude du spectre infrarouge du graphène comportant des îlots de bicouches, pour lequel nous proposons de revoir la nature du mécanisme de couplage à l’œuvre à la lumière de nos découvertes concernant le graphène monocouche. / Carbon nanotubes and graphene are sp2 hybridized carbon nanostructures which electrical and optical properties raise considerable interest for the design of a new generation of electronic devices and optically active materials. However, many challenges remain before their implementation in industrial processes on a large scale. Materials chemistry, especially covalent functionalization, is a privileged avenue to resolve the difficulties related to the processing of these nanostructures. Covalent functionalization, however, disrupts the sp2 carbon nanostructures’ crystalline structure, and pertubs not only said electrical properties, but also the deriving optical properties. It is therefore essential to characterize the effects of defects and disorder in order to understand their consequences, but also to potentially exploit the benefits. This thesis deals with the optical properties in the infrared of carbon nanotubes and graphene, with the aim to understand and explain the fundamental mechanisms at the origin of the optical response in the infrared of sp2 carbon nanostructures. Subject to strict selection rules, infrared spectroscopy measures the high frequency AC conductivity of materials in an energy range corresponding to molecular vibrations, phonon modes and low energy electronic excitations. Our experimental method is therefore to explore a parameter space defined by the three axes that are i. the dimensionality of the material, ii. the chemical potential, and iii. the disorder level, which allows us to identify the various contributions to optical properties in the infrared of sp2 carbon nanostructures. At first, we focus on the infrared spectroscopy of single-walled carbon nanotubes as a function of doping and disorder level. We start by amending the commonly accepted origin of single-walled carbon nanotubes vibrational spectra. Using controlled chemical doping experiments, we show that the anomalies in the carbon nanotube spectra appear through electron-phonon interactions. The Fano resonance model provides a phenomenological explanation for the observations. Then, we establish the existence of localized states induced by covalent functionalization, which appear as a surface plasmon polariton resonance (nanoantenna) contributing to the terahertz conductivity peak. Control of the disorder level in carbon nanotube films allows us to observe the evolution of the nanoantenna resonance. We therefore conclude to an effective segmentation of the nanotubes by the grafts. Finally, we show that disorder activates phonon modes that are usually forbidden by infrared spectroscopy’s selection rules. Disorder-induced infrared activity originates from elastic collisions on defects that give access to phonon modes with non-zero wave vectors. In a second part, we focus on the properties of graphene. First, we demonstrate an electrografting method to rapidly functionalize graphene with high-density, regardless of the substrate. Subsequently, we use electrografting to show that disorder activates chemical potential dependent anomalies in the vibrational spectra of single-layer graphene. These anomalies are absent in the spectra of pristine samples. In order to explain this phenomenon, we present a theory based on the interaction of intraband optical transitions, phonon modes and elastic collisions. We conclude by studying the infrared spectra of graphene with bilayer islands, for which we propose to review the nature of the coupling mechanism in the light of our findings on single-layer graphene.

Deux stratégies sont présentées à utiliser des effets de couplage de modes pour l’amplification de l’atténuation du son dans les conduits acoustiques. La première est de coupler le mode incident propagatif avec un mode localisé, aussi appelé résonance de Fano. Cette stratégie est présentée et validée dans un système conduit-cavité et un guide d’onde partiellement traité en paroi avec un matériau à réaction locale. La méthode “R-matrix” est introduite pour résoudre le problème de propagation d’onde. Une annulation de la transmission se produit quand un mode piégé (qui est formé par les interférences de deux modes voisins) est excité dans le système ouvert. Ce phénomène est aussi lié au croisement évité des valeurs propres et à un point exceptionnel. Dans la seconde stratégie, un réseau d’inclusions rigides périodiques est intégré dans une couche poreuse pour améliorer l’atténuation du son à basse fréquence. Le couplage de modes est du à la présence de ces inclusions. Le théorème de Floquet-Bloch est proposé pour analyser l’atténuation du son dans un guide d’onde périodique en 2D. Un croisement de l’atténuation de deux ondes de Bloch est observé. Ce phénomène est utilisé pour expliquer le pic de pertes en transmission observé expérimentalement et numériquement dans un guide 3D partiellement traitée par un matériau poreux avec des inclusions périodiques. Enfin, le comportement acoustique d’un liner purement réactif dans un conduit rectangulaire avec et sans écoulement est étudié. Dans une certaine gamme de fréquence, aucune onde ne peut se propager à contre sens de l’écoulement. Par analyse des différent modes à l’aide de la relation de dispersion, il est démontré que le son peut être ralenti et même arrêté. / Two strategies are presented to use the mode coupling effects to enhance sound attenuation in acoustic ducts. The strategy is to couple the incoming propagative mode with the localized mode, which is also called Fano resonance. This strategy is presented and validated in a duct-cavity system and a waveguide partially lined with a locally reacting material. The R-matrix method is introduced to solve the propagation problems. A zero in the transmission is present, due to the excitation of a trapped mode which is formed by the interferences of two neighboured modes. It is also linked to the avoided crossing of the eigenvalues and exceptional point. In the second strategy, a set of periodic rigid inclusions are embedded in a porous lining to enhance sound attenuation at low frequencies. The mode coupling is due to the presence of the embedded inclusions. Floquet - Bloch theorem is proposed to investigate the attenuation in a 2D periodic waveguide. Crossing is observed between the mode attenuations of two Bloch waves. The most important and interesting figure is that near the frequency where the crossing appears, an attenuation peak is observed. This phenomenon can be used to explain the transmission loss peak observed numerically and experimentally in a 3D waveguide partially lined by a porous material embedded with periodic inclusions. Finally, the acoustical behaviours of a purely reacting liner in a duct in absence and presence of flow are investigated. The results exhibit an unusual acoustical behaviour : for a certain range of frequencies, no wave can propagate against the flow. a negative group velocity is found, and it is demonstrated that the sound can be slowed down and even stopped.

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.