168 I) Conclusion.
Au cours de ma thèse, je me suis intéressé au fonctionnement et à l’utilisation du microscope à effet tunnel (STM) à l’air comme source d’excitation électrique et locale de plasmons de surface. Les résultats présentés dans ce manuscrit s’organisent autour de 3 grands axes couvrant la physique de l’excitation de plasmons de surface par STM à l’air, l’emploi de nanostructures pour diriger et/ou mettre en forme les plasmons de surface excités par STM, et le couplage entre plasmons de surface et structures excitoniques.
La première partie de ma thèse concerne le phénomène d’excitation de plasmons de surface sous la pointe d’un microscope à effet tunnel fonctionnant à l’air. Dans le fonctionnement à l’air du STM, la présence d’un pont aqueux entre la pointe STM et la surface métallique induit un comportement tout à fait spécifique qui diffère de celui du STM sous vide. Aux tensions utilisées pour l’excitation des plasmons de surface (entre 2 et 4 Volts), la présence de ce pont aqueux permet le passage d’un courant par voie électrochimique qui va être à l’origine d’un régime de fonctionnement du STM caractérisé par des oscillations périodiques de la pointe STM. Ce régime oscillant permet d’une part d’imager des nanostructures de grande taille (quelques 100 nm) et d’autre part d’exciter des plasmons de surface. Dans ce régime, l’excitation de plasmons n’est pas continue mais consiste en des pulses brefs (~ 50 µs) qui coïncident avec les périodes pendant lesquelles le passage des électrons entre la pointe et la surface peut se faire par effet tunnel inélastique à travers une barrière tunnel profondément modifiée par la présence du pont aqueux.
Grâce à l’excitation électrique locale fournie par la pointe du STM, il est possible d’exciter deux types de plasmons sur un film d’or ou d’argent. Le premier est un mode plasmonique localisé sous la pointe STM et appelé mode de gap plasmon. Le second correspond aux plasmons de surface propagatifs, qui sont émis de manière radiale à partir de la pointe STM. Des mesures d’interférences dans le plan de Fourier ont permis de démontrer le caractère cohérent de ces différents plasmons excités par STM. Cette cohérence s’accompagne toutefois d’un déphasage de π. L’origine de ce déphasage n’a pas pu être déterminé, et il peut s’agir soit d’un effet de la diffusion hors plan des plasmons de surface propagatifs par la nanofibre, soit d’un déphasage entre le mode de gap plasmon et les plasmons de surface propagatifs excités sur le film.
La seconde partie de ma thèse concerne la possibilité de contrôler la directivité des plasmons de surface propagatifs excités par STM. Ainsi, en positionnant la pointe STM au-dessus d’un nanofil d’or déposé sur un film d’or, il est possible d’exciter des plasmons de surface propagatifs dirigés principalement selon l’axe du nanofil. Cette directivité, visible uniquement sur les images polychromatiques, laisse place à une figure d’interférences complexe lorsqu’une seule longueur d’onde est conservée. La directivité observée dans le cas polychromatique a alors pour origine la superposition non cohérente de ces figures d’interférences obtenues pour chaque longueur d’onde individuelle. Contrairement à ce qui est rapporté dans la littérature pour un nanofil d’or déposé sur verre ou ITO, la modélisation du nanofil d’or déposé sur film d’or par un résonateur Fabry-Perot ne s’est pas révélée satisfaisante. Ainsi, ce modèle du Fabry-Pérot n’explique pas pourquoi la figure d’interférences dépend de la position de la pointe STM le long du nanofil, ni pourquoi les spectres de
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la lumière émise à chaque extrémité du nanofil sont différents. Ces différents comportements observés expérimentalement ont toutefois pu être retrouvés grâce à un modèle de réseau linéaire et continu d’antennes dipolaires développé au cours de ma thèse.
Nous avons aussi pu mettre en évidence un phénomène de guidage des plasmons de surface propagatifs excités par STM par des nanofibres organiques déposées sur le film métallique. L’injection de ces plasmons propagatifs dans les modes plasmoniques guidés du système nanofibre organique sur film métallique est toutefois très sensible à l’alignement de la pointe STM avec l’axe de la nanofibre. Ce résultat illustre l’importance de disposer d’une source de plasmons de surface propagatifs ponctuelle comme le STM.
La dernière partie de ma thèse aborde le couplage entre plasmons et excitons. Nous avons montré que la fluorescence d’une nanofibre organique déposée à proximité d’un film d’or est capable d’exciter des modes guidés plasmoniques à l’interface nanofibre-film ainsi que des plasmons de surface propagatifs à la surface du film d’or. L’interaction inverse, qui consiste à utiliser les plasmons de surface du film pour générer des excitons au sein d’une nanofibre organique et ainsi exciter sa fluorescence, n’a pas encore pu être démontrée, car la distribution spectrale des plasmons de surface excités est si large qu’elle masque une éventuelle fluorescence de la nanofibre.
Enfin, nous nous sommes intéressés au couplage entre des quantums dots colloïdaux et un monofeuillet de graphène avec l’intention, à terme, d’utiliser le graphène comme espaceur entre structures excitoniques et plasmoniques. Nous avons montré que ce couplage ne supprimait pas complétement le phénomène de scintillement typique des quantums dots. Il se traduit principalement par une réduction du temps de vie de fluorescence des quantums dots que nous avons attribué à un transfert d’énergie non radiatif vers le graphène. Cette réduction du temps de vie de fluorescence se traduit, aux temps longs, par une réduction du phénomène de scintillement.
170 II) Perspectives.
Un prolongement logique de ma thèse serait l’étude des phénomènes physiques couplant plasmons de surface excités par STM et structures excitoniques. L’un des systèmes envisageable est un nanofil coaxial composé d’une gaine en or et d’un cœur en matériau excitonique (matériau organique ou quantum dot). La dimension réduite de la structure, quelques centaines de nanomètres de diamètre, devrait permettre un couplage fort entre les excitons du cœur et les modes plasmoniques de la gaine. Ce couplage fort conduit à la formation d’états hybrides plasmons-excitons et appelés plexcitons caractérisés par des propriétés physiques nouvelles (confinement, cohérence, relation de dispersion,…) que ni les excitons, ni les plasmons, ne possèdent. Un tel couplage fort a été récemment démontré à température ambiante dans le cas de films continus (2D) de quantums dots [1] ou de molécules [2] déposés sur un film d’argent, ou de systèmes 0D comme des nanosphères [3] mais n’a, pour le moment, jamais été étudié dans le cadre de structures à 1 dimension (1D). L’intérêt de ces nanostructures hybrides 1D est qu’elles pourraient être utilisées dans des circuits plasmoniques afin de compenser les pertes propagatives des plasmons, voire comme sources de plasmons cohérents (lasers à plasmons). Cette intégration serait alors facilitée par le remplacement du microscope à effet tunnel par une jonction tunnel planaire dont la fabrication est envisageable avec les techniques de micro-électronique actuelles.
Références :
[1] D. E. Gómez, K. C. Vernon, P. Mulvaney, and T. J. Davis, “Surface Plasmon Mediated Strong Exciton−Photon Coupling in Semiconductor Nanocrystals,” Nano Lett., vol. 10, no. 1, pp. 274– 278, Jan. 2010.
[2] J. Bellessa, C. Bonnand, J. C. Plenet, and J. Mugnier, “Strong Coupling between Surface Plasmons and Excitons in an Organic Semiconductor,” Phys. Rev. Lett., vol. 93, no. 3, p. 036404, juillet 2004.
[3] N. T. Fofang, T.-H. Park, O. Neumann, N. A. Mirin, P. Nordlander, and N. J. Halas, “Plexcitonic Nanoparticles: Plasmon−Exciton Coupling in Nanoshell−J-Aggregate Complexes,” Nano Lett., vol. 8, no. 10, pp. 3481–3487, Oct. 2008.
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