Optical properties of deterministic colloidal assemblies: plasmonics and dielectric confinement
Propriétés optiques de colloïdes assemblés : plasmonique et confinement diélectrique
Résumé
Colloids - e.g. nanoparticles in solution - are objects that exhibit original optical properties. Their use as building block for fabrication of subwavelength optical components may allow novel applications in the field of integrated optics and biological detection. Anyway colloidal particles handling remains a challenge because of their small size and their random dispersion into a liquid medium. In this context, we created new colloidal optical components thanks to nanofabrication techniques based on the convective assisted capillary force assembly method. Two different kinds of structure were made and their optical behavior was studied : gold colloidal dimers and polystyrene dielectric microspheres assembled as chains or arrays. For the dimers, a fundamental study was performed on plasmonic phenomena that rule the optical properties of these objects. Next, their potential was evaluated in terms of ultrasensitive SERS sensor and also as optical nanoantenna of quantum dot emitters. For the microspheres, the propagation and scattering behaviors of whispering gallery modes that travel into the microspheres were first investigated. Their potential use as ultra- sensitive sensors was also discussed. In addition, a second study was made on the guiding properties of linear microspheres chains. In order to complete this work, one last optical component was developped in addition to the fabricated colloidal waveguides and colloidal sensors. This component is a white light microsource that was designed for applications as a versatile localized emitter for integrated optics.
Les solutions colloïdales constituées de nanoparticules en solution sont une famille d'objets aux propriétés optiques uniques. Leur utilisation comme élément de base à la fabrication de composants optiques sublongueur d'onde pourrait permettre la naissance de nouvelles applications en particulier dans le domaine de l'optique intégrée et de la détection biologique. La manipulation de ces particules reste toutefois un défi en raison de leur taille et de leur dispersion aléatoire dans un milieu liquide. Dans ce contexte, nous avons réalisé des nouveaux composants optiques grâce au développement de techniques de fabrication basées sur la méthode d'assemblage capillaire assisté par convection. Deux types de structures ont été réalisés puis évalués en terme de comporte- ment optique : les dimères métalliques d'Au et les microsphères diélectriques de polystyrène assemblées en chaînes ou en réseaux. Pour les dimères, une étude fondamentale a été effectuée sur les phénomènes plasmoniques régissant les propriétés optiques de ces objets. Leur potentiel en tant que détecteur ultrasensible SERS et nanoantenne à boîtes quantiques a ensuite été approfondi. Pour les microsphères, une étude sur la propagation et la diffusion des modes de galerie présents dans ces objets a tout d'abord été réalisée dans le but d'en faire des candidats pour la détection ultrasensible. Les propriétés de guidage de la lumière dans des assemblages en chaîne ont ensuite été traitées. Afin de compléter ce travail un dernier composant optique a été développé en complément des guides et capteurs colloïdaux déjà réalisés. Il s'agit d'une nouvelle génération d'émetteurs localisés conçus pour un usage large et versatile et qu'il est possible de définir comme microsource de lumière blanche.