L'objectif principal du travail de ce doctorat était de concevoir, fabriquer et caractériser des composants plasmoniques composé de cavités métalliques 2D hautement cristallines conduisant à des applications en modulation du signal plasmonique et à la réalisation d'un dispositif de porte logique reconfigurable. Pour acquérir une meilleure compréhension du sujet, nous avons étudié le comportement spectral de ces cavités d'or multimodales à l’aide de mesures spectroscopiques en champ sombre appuyées par le calcul des spectres SPLDOS obtenus avec un outil numérique basé sur GDM. On a constaté que ces cavités plasmoniques présentaient de multiples pics de résonance dans une fenêtre spectrale allant de 450 nm à 850 nm. Les spectres SPLDOS ont révélé que chaque mode planaire issu de la simulation peut être associé à un pic ajusté par une Lorentzienne dans les spectres expérimentaux. Ces pics de résonance SP se déplacent au fur et à mesure que nous augmentons la taille de la cavité. Un nouveau pic de résonance SP a émergé lorsque la taille de la cavité a été augmentée de ~ 90nm. Un décalage vers le rouge des longueurs d’onde du pic de résonance SP avec la taille a également été observé pour les cavités d'or déposées sur un film mince en or de 30 nm dans la configuration MIM. De plus, en changeant la constante diélectrique du film mince métallique dans la géométrie MIM, nous pourrions obtenir un décalage vers le rouge ou le bleu de la réponse globale du spectre de diffusion. Nous avons également discuté de la possibilité de régler la réponse spectrale des cavités prismatiques en introduisant un défaut de taille inférieur à la longueur d'onde sous forme de trou.
Les cavités plasmoniques multimodales ont ensuite été rapprochées l'une de l'autre pour former une antenne multimodale en forme de nœud papillon (bowtie). On a constaté que ces antennes présentaient un confinement à l'échelle nanométrique une exaltation du champ dans des endroits spécifiques et dépendant de la polarisation. La condition d'accord spectral dans ces antennes papillon a été déterminée par l'ordre du mode SP. La position relative des cavités l'une par rapport à l'autre régit l'accord spatial. La dimension mésoscopique de ces antennes permet d'envisager une utilisation dans la conception d'un composant plasmonique d'entrée- sortie avec la possibilité de canaliser des informations plasmoniques sur une distance beaucoup plus longue que la longueur d'onde effective des SPPs.
Nous avons façonné des états propres de transmission plasmonique dans une structure en forme de diabolo qui se compose de cavités triangulaires reliées par un canal rectangulaire.
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Les cartes confocales TPL expérimentales conservent les caractéristiques modales des cavités individuelles dans cette géométrie complexe. La position du point chaud TPL dans l'une des cavités (I) est excitée pour obtenir une transmission du signal plasmonique vers un sommet éloigné de l'autre cavité (O) avec une efficacité de transmission de 3,5% sur une distance d'environ 2 microns. Nous obtenons un rapport ON / OFF de 130 en ajustant la polarisation du faisceau incident. On observe une dépendance directe de la transmission avec l'efficacité d'excitation qui suit la distribution SPLDOS le long de la voie de transmission. Un arrêt complet de la transmission d'une cavité à l'autre est obtenu en sélectionnant deux cavités avec une différence de taille supérieure à 90nm. Ainsi, une réalisation réussie d'un dispositif de transmission efficace en choisissant une taille appropriée, des longueurs d'onde d'excitation et des polarisations ainsi que des emplacements d'entrée spécifiques pourrait être réalisée.
Des portes logiques plasmoniques ont été réalisées avec succès sur une double structure hexagonale a partir des principes énoncé dans une expérience par la pensée proposée en 2013. Les portes logiques plasmoniques ont été mises en œuvre en choisissant un ensemble d'entrées et un ensemble de polarisations incidentes et un seuillage du signal de sortie. Au total, 10 configurations de portes logiques à deux entrées et une sortie sur les 12 possibles - NOT aux deux entrées, Copie au deux entrées, AND, OR, NAND, NOR, Tautologie et Contradiction - ont été réalisées avec succès. Nous avons obtenu jusqu'à cinq opérations de porte logique différentes simultanément sur un seul dispositif. Ces opérations logiques peuvent être facilement reconfigurées en modifiant les paramètres précités. Les deux portes logiques qui ne peuvent être réalisées avec le mécanisme d'excitation actuel sont XOR et NXOR. Ces deux portes ne peuvent être mises en œuvre en superposant deux images de transmission correspondant à deux conditions d'entrée différentes et nécessitent une approche différente. À l'avenir, nous souhaitons appliquer cette approche pour réaliser une porte logique plasmonique reconfigurable avec un contrôle actif. Une approche consiste à ajouter une électrode de contact qui peut fonctionner comme une source SP pompée électriquement. L'intégration d'une telle électrode de contact avec la double géométrie hexagonale actuelle peut nous fournir une commande active hautement désirable pour un dispositif à porte logique plasmonique.
L’intégration des composants plasmoniques a également été démontrée en couplant des émetteurs de photons uniques à des cavités plasmoniques [1], [2]. Récemment, Cuche et al. ont démontré qu’il était possible d’étudier des résonateurs plasmoniques multimodaux dans le régime quantique, et cela grâce à quelques centres NV contenus dans un nanodiamant (ND) accroché à l’extrémité d'une pointe optique [5]. Dans ce travail, les cartes de LDOS
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photoniques ont été enregistrées à différentes longueurs d'ondes à proximité immédiate des résonateurs plasmoniques par filtrage sélectif en énergie des spectres d'émission. Alternativement, nous pouvons également disperser des émetteurs auprès de cavités plasmoniques. L’effet de la SPLDOS sur la dynamique d’émission de ces nanoparticules fluorescentes peut aussi être étudié en enregistrant la luminescence de l'émetteur en fonction de sa position par rapport à la cavité plasmonique. Dans un premier pas vers cette direction, nous avons commencé à étudier le couplage de centres NV dans des NDs positionnés à proximité d'une cavité plasmonique multimodale. La carte confocale du système couplé est illustrée à la figure 8.1 (a) pour une excitation à λ= 532nm. Dans un second temps, nous avons positionné le faisceau d’excitation sur un ND (montré par le cercle rouge en pointillé). L'image du rayonnement de fuite du système couplé est illustrée à la figure 8.1 (b). Bien que ce ne soient que des résultats préliminaires, cela ouvre la voie à une étude plus approfondie axée sur l'exploitation des centres NV pour la génération locale de SPPs individuels dans ces cavités plasmoniques, et leur utilisation pour la réalisation de dispositifs plasmoniques dans le régime quantique.