Note publique d'information : L'objectif principal de cette thèse est de concevoir, fabriquer et caractériser les
dispositifs plasmoniques basés sur les cavités métalliques bidimensionnelles monocristallines
pour le transfert d'information et la réalisation d'opérations logiques. Les fonctionnalités
ciblées émergent de l'ingénierie spatiale et spectrale de résonances plasmon d'ordre
supérieur supportées par ces cavités prismatiques. Les nouveaux éléments étudiés dans
cette thèse ouvrent la voie à de nouvelles stratégies de transfert et de traitement
de l'information en optique intégrée et miniaturisée. Dans un premier temps, nous
caractérisons la réponse optique des nanoplaquettes d'or ultra-fines et de taille
submicronique (400 à 900 nm) par spectroscopie en champ sombre. La dispersion des
résonances plasmoniques d'ordre supérieur de ces cavités est mesurée et comparée avec
un bon accord aux simulations obtenues par la méthode des dyades de Green (GDM). En
outre, nous présentons une analyse par décomposition lorentzienne des réponses spectrales
de ces nanoprismes déposés sur des minces substrats métalliques. Nous avons, par ailleurs
systématiquement étudié les effets qui pourraient modifier les résonances plasmoniques
par microscopie de luminescence non-linéaire, qui s'est avérée un outil efficace pour
observer la densité d'états locale des plasmons de surface (SPLDOS). En particulier,
nous montrons que les caractéristiques spectrale et spatiale des résonances plasmoniques
d'ordre supérieur peuvent être modulées par la modification du substrat (diélectrique
ou métallique), par l'insertion contrôlée d'un défaut dans la cavité ou par le couplage
électromagnétique, même faible, entre les deux cavités. L'ingénierie rationnelle de
la répartition spatiale des résonances confinées 2D a été appliquée à la conception
de dispositifs à transmittance accordable entre deux cavités connectées. Les géométries
particulières sont produites par gravure au faisceau d'ions focalisé sur des plaquettes
cristallines d'or. Les dispositifs sont caractérisés par cartographie de luminescence
non-linéaire en microscopie confocale et en microscopie de fuites. Cette dernière
méthode offre un moyen unique d'observer la propagation du signal plasmon dans la
cavité. Nous démontrons la dépendance en polarisation de la transmission plasmonique
dans les composants à symétrie et géométrie adéquates. Les résultats sont fidèlement
reproduits par notre outil de simulation GDM adapté à la configuration de transmission.
Enfin, notre approche est appliquée à la conception et à la fabrication d'une porte
logique reconfigurable avec plusieurs entrées et sorties. Nous démontrons que dix
des douze portes logiques possibles à 2 entrées et 1 sortie sont activable sur une
même structure en choisissant les trois points d'entrée et de sortie et en ajustant
le seuil de luminescence non-linéaire pour le signal de sortie.
Note publique d'information : The main objective of this PhD work is to design, fabricate and characterize plasmonic
devices based on highly crystalline metallic cavities for the two-dimensional information
transfer and logic gate operations. First, we thoroughly characterize the optical
response of ultra-thin gold colloidal cavities of sub-micronic size (400 to 900 nm)
by dark- field spectroscopy (Fig. 1a). The dispersion of the high order plasmonic
resonances of the cavities is measured and compared with a good agreement to simulations
obtained with a numerical based on the Green Dyadic Method (GDM). We further extend
our experiments to systematically tune the spectral responses of these colloidal nanoprisms
in vicinity of metallic thin film substrates. A comprehensive study of these sub-micronic
size cavity in bowtie antenna configuration is performed. We show a polarization-dependent
field enhancement and a nanoscale field confinement at specific locations in these
bowtie antennas. We systematically study the effects that could potentially affect
the plasmonic resonances by non-linear photon luminescence microscopy, which has proved
to be an efficient tool to observe the surface plasmon local density of states (SPLDOS).
Inparticular, we show that an effective spatially and spectrally tuning of the high
order plasmonic resonances can be achieved by the modification of the substrate (dielectric
or metallic), by the controlled insertion of a defect inside a cavity or by the weak
electromagnetic coupling between two adjacent cavities. The rational tailoring of
the spatial distribution of the 2D confined resonances was applied to the design of
devices with tunable plasmon transmittance between two connected cavities. The specific
geometries are produced by focused ion milling crystalline gold platelets. The devices
are characterized by non-linear luminescence mapping in confocal and leakage radiation
microscopy techniques. The latter offers a unique way to observe propagating SPP signal
over a 2D plasmonic cavity. We demonstrate the polarization-dependent mode-mediated
transmittance for devices withadequate symmetry. The results are faithfully reproduced
with our simulation tool based on Green dyadic method. Finally, we extend our approach
to the design and fabrication of a reconfigurable logic gate device with multiple
inputs and outputs. We demonstrate that 10 out of the possible 12 2-input 1-output
logic gates can be implemented on the same structure by choosing the two input and
the one output points. We also demonstrate reconfiguration of the device by changing
polarization of the incident beam, set of input locations and threshold of the non-linear
luminescence readout signal.
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