Intégration sur silicium de capteurs plasmoniques à base de nanostructures périodiques

La résonance de plasmons de surface a été pour la première fois observée au début du siècle dernier, et a depuis connu de nombreuses avancées théoriques et expérimentales. Les plasmons résultent de l'excitation collective des électrons d'un métal, qui se comporte alors comme une seule particule. La grande sensibilité de cette résonance vis-à-vis des propriétés optiques des milieux diélectriques mis en jeu en fait un outil idéal dans les domaines de la biodétection et biopharmaceutiques. L'excitation de ces plasmons requiert des systèmes de couplage particuliers, et depuis les années 90, l'explication de la transmission extraordinaire de lumière à travers un réseau de trous dans une fine couche de métal par l'excitation de ces plasmons a relancé l'intérêt de telles structures pour la biodétection. Dans ce mémoire, nous explorons des pistes pour exploiter au mieux ces nanostructures afin de concevoir un détecteur à grande résolution et miniaturisable. La dépendance de la résonance plasmonique par rapport à la polarisation de la lumière incidente nous a conduit à réaliser et tester différentes structures nanoplasmoniques dans de l'or, avec des périodes asymétriques. Les pics de transmission extraordinaire sont alors contrôlés par les différentes périodes du réseau. Des réseaux de nanotrous circulaires, de diamètre 200nm, et de périodes 380nm et 420nm ont été réalisés et testés. Un montage expérimental basé sur une détection balancée permet de récupérer simultanément le signal issu de deux polarisations perpendiculaires, et la comparaison de ces signaux entraine une réduction du bruit dans la mesure. La résolution du système est mesurée à 6.4 x 10-6 RIU, gagnant alors un ordre de grandeur par rapport aux résultats déjà existants. Ces nanostructures offrent également l'avantage d'un système de couplage simple, la lumière transmise étant simplement récupérée par un détecteur après transmission. Nous avons alors cherché à intégrer ces structures directement sur un substrat actif semiconducteur, en exploitant ses propriétés optoélectroniques. La couche métallique joue alors le rôle à la fois de transducteur et d'électrode pour le détecteur. Une modulation lumineuse de la polarisation incidente permet de plus de réaliser une détection balancée, offrant ainsi une résolution de 3.5 x 10-5 RIU, très performant pour un capteur miniaturisable. Cette étude propose donc un exemple de capteur basé sur des nanostructures plasmoniques, directement intégrées sur un substrat actif semiconducteur, offrant ainsi des pistes vers la

Abstract

Surface plasmon resonance was first observed at the beginning of the 20th century, and since then, it has been extensively studied, both theoretically and experimentally. Surface plasmons originate from a collective excitation of electrons in a metal, electrons behaving as a single particle. This resonance is highly sensitive to optical properties of involved dielectric mediums, thus making it a useful tool in fields related to biosensing and pharmaceutical research. Surface plasmons require specific excitations conditions, and since the 90s and the theoretical explanation of extraordinary light transmission through array of nanoholes in a thin metallic film by plasmon excitation, a new interest for these structures has arisen for biosensing applications. In this master thesis, we propose different ideas and systems to better exploit these nanostructures in order to build high resolution integrated biosensors. Polarization dependence of surface plasmon resonance led us to design and test arrays of nanoholes in a gold film, having different periods along the polarization directions. Transmission peaks are then controlled by those different periods in the arrays. Circular nanoholes arrays, of diameter 200nm and respective periods of 380 and 420nm, have been fabricated and tested. Experimental set up based on a balanced detection scheme allows simultaneous detection of signals from two perpendicular polarizations, thus noise can be reduced by comparing the signals. System resolution has been measured to be 6.4 x 10-6 RIU, thus gaining an order of magnitude compared to existing publications. These nanostructures also offer a simple way to excite surface plasmon, transmitted light being collected by a simple detector directly after the array. This led us to think of ways to integrate those structures directly on an active semiconductor substrate, and exploiting its optoelectronic properties. Thin metallic film has two roles, transducer for sensing purpose, and electrode for photodetection in the semiconductor. Modulation of the incident light polarization allows for a balanced detection, thus increasing the resolution of the overall integrated sensor, giving a value of 3.5 x 10-5 RIU. This study shows an example of a miniaturized sensor based on plasmonic nanostructures, directly integrated on an active semiconductor substrate, thus offering new and promising applications in high resolution fast-response hand-help devices based on surface plasmon