Propriétés optiques des nano-trous périodiques dans une couche mince métallique : modélisation, fabrication et application comme biocapteur

In this Ph.D thesis, periodic nanohole arrays built in metallic films are studied. These arrays
consist in an arrangement of holes, spaced apart periodically, in thin metallic films.
The structures are all of the order of the nanometer. These structures have extraordinary
optical properties : for certain wavelengths, light can diffract at the surface of the metal and
couple to the propagation wave inside the holes. When these conditions are met, a resonant
phenomenon is excited and a strong transmission is observed. This phenomenon was termed
extraordinary optical transmission or EOT. The term extraordinary comes from the fact that,
if we consider the transmission of the sum of the isolated holes, the transmitted intensity
would be orders of magnitude lower than the one observed from the array configuration.
Furthermore, even if we were to assemble all the holes in one big hole (with hole/metal ratio
conserved), the optical transmission would still be lower. These structure have the capacity
to channel light inside the holes and concentrate electromagnetic radiation at the surface.
They can thus manipulate light at the nanoscale level to create optical components with
remarkable properties.
In the first part of this thesis dedicated to the study of these structures, modelling of the
optical properties of these structures is presented, using the method of Coupled Mode Theory
(CMT). This method consists in an expansion of the electromagnetic fields in modes in the
different regions of the structure and in a calculation of the coupling coefficients of the
modes from one region to another. This method has several advantages compared to other
methods, namely that is can minimize the approximations used, while offering an analytical
development typical of problems in optics. Furthermore, under certain approximations, the
method can describe the equations under a simple form which highlights the origin of the
resonance. A deeper understanding of the mechanism involve in the resonance property of
these structures can thus be achieved.
One of the original contribution of this thesis was made in order to develop further the
understanding of this method. Indeed, when considering the region inside the holes, most
articles in the literature use only the fundamental mode. This approximation is good in the
subwavelength case and for holes of small dimension, but becomes imprecise otherwise. Since
the interesting dimensions of nanohole arrays for sensing might make use of all dimensions
it was important to use a more complete model. A matrix formalism has thus been written
in order to assess the contribution of each mode and the coupling of the modes between
them.

Résumé

Dans cette thèse de doctorat, les réseaux de nano-trous périodiques dans des films métalliques sont étudiés. Leurs dimensions sont de l'ordre de la centaine de nanomètres, autant pour la taille du trou que l'espacement entre chacun et l'épaisseur du film. Ils possèdent des propriétés optiques remarquables : à certaines longueurs d'onde, la lumière qui diffracte à la surface de cette structure peut se coupler avec l'onde de propagation à l'intérieur du
trou. Lorsque ces conditions sont rencontrées, un phénomène de résonance est excité et une forte transmission optique est observée de l'autre côté du film. On parle alors de transmission optique extraordinaire ou EOT pour "Extraordinary Optical Transmission". Le terme
extraordinaire provient du fait que, si on considère la transmission optique des trous individuellement,
l'intensité observée serait plusieurs ordres de grandeur inférieure à celle mesurée pour le réseau. De plus, même si on réunissait tout les trous en un seul grand trou (avec
les proportions avec la partie métallique conservée), la transmission optique serait encore inférieure à celle observée pour le réseau. Le réseau possède donc la propriété de canaliser la lumière vers les indentations et ainsi de concentrer l'onde électromagnétique vers l'intérieur de l'indentation. Ces structures permettent de manipuler la lumière à l'échelle du nanomètre
et ainsi de construire des matériaux avec des propriétés optiques remarquables.
Dans une première partie de cette étude de ces structures, la modélisation des propriétés optiques est abordée en utilisant la théorie des modes couplés ou CMT pour "Coupled Mode Theory". Cette méthode consiste en une expansion des champs électromagnétiques des modes possibles dans chacun des milieux de la structure ainsi qu'un calcul des coefficients de couplages de l'onde d'un milieu à l'autre. Bien que d'autres méthodes de modélisation analytique
existent, la CMT a été choisie car elle permet de minimiser les approximations employées dans la modélisation, tout en offrant un développement analytique typique des problèmes de
transmission optique. De plus, sous certaines proximations, la méthode permet d'écrire les équations sous une forme simple qui décrit directement l'origine de la résonance. Une compréhension approfondie des mécanismes en jeu de la transmission optique est donc obtenue grâce à cette modélisation.
Dans le cadre de ce travail de modélisation, une contribution originale a été effectuée afin
d'approfondir la méthode lorsque l'on considère plusieurs modes possibles à l'intérieur des indentations.