Excitation électrique locale de nanostructures plasmoniques par la pointe d'un microscope à effet tunnel

Nous utilisons un microscope à effet tunnel (STM) associé à un microscope optique inversé pour l’excitation et la détection des plasmons de surface propagatifs et/ou localisés. L’excitation de ces plasmons est assurée par passage d’un courant tunnel inélastique entre la pointe du STM et la surface d’un film métallique mince (épaisseur de 50 nm) d’or ou d’argent déposé sur une lamelle de verre. Les fuites radiatives des plasmons de surface propagatifs et la lumière émise par les plasmons localisés dans le substrat de verre sont collectées par un microscope optique via un objectif à immersion. Il est alors possible de déterminer à la distribution spatiale et angulaire des émissions issues de ces plasmons de surface excités par STM, ainsi qu’à leur distribution en longueurs d’onde. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés au fonctionnement et à l’émission de lumière sous la pointe d’un microscope à effet tunnel fonctionnant à l’air. Nous montrons que la présence d’eau adsorbée au sein de la jonction tunnel, associée à la boucle d’asservissement du STM induit un mode de fonctionnement oscillant et périodique du STM sans lequel il serait difficile d’exciter les plasmons de surface. Ensuite, nous avons montré qu’il est possible de contrôler la directivité des plasmons de surface propagatifs excités par STM en excitant localement un nanofil d’or déposé sur le film d’or. L’étude détaillée de cette directivité nous a permis de démontrer que, contrairement au cas du nanofil d’or déposé sur verre, un nanofil d’or déposé sur film d’or ne se comporte pas comme un résonateur Fabry Pérot. Nous avons proposé un modèle simple dans lequel le nanofil est assimilé à un réseau linéaire d’antennes. Ce modèle permet de rendre compte des structurations spectrales et spatiales des plasmons de surface sur le film d’or résultant de l’ajout du nanofil d’or. Puis, nous avons étudié le couplage entre des nanofibres organiques fluorescentes (structures excitoniques) et les plasmons de surface propagatifs d’un film métallique d’or ou d’argent sur lequel ces nanofibres sont déposées. Nous avons ainsi montré que (i) la fluorescence de la nanofibre peut exciter des plasmons de surface à la surface du film d’or, (ii) la nanofibre organique agit comme un guide d’onde plasmonique et (iii) qu’il est possible d’injecter des plasmons de surface propagatifs du film excités par STM dans ces modes guidés par la nanofibre. D’autre part, en étudiant la figure d’interférences dans le plan de Fourier, nous avons pu confirmer que l’émission du dipôle sous la pointe STM et les plasmons de surface propagatifs excités par STM sont cohérents, donc issus du même événement tunnel. Enfin, nous discutons les effets du couplage entre des nanocristaux semiconducteurs (quantum dots) individuels et un monofeuillet de graphène. Nous montrons que la présence du graphène réduit d’un facteur ~10 la durée de vie de l’état excité des quantum dots déposés sur graphène par rapport aux quantum dots déposés sur verre. Pour les quantum dots déposés sur graphène, il résulte de cette réduction de la durée de vie de l’état excité, une baisse de l’intensité de fluorescence et une réduction du phénomène de scintillement avec un temps de résidence dans un état brillant globalement plus long que pour les quantum dots déposés sur verre. Les différents résultats obtenus au cours de cette thèse permettent de mieux comprendre l’excitation de plasmons de surface avec un microscope à effet tunnel, le couplage entre nanostructures plasmoniques et le couplage entre une structure plasmonique et une nanostructure excitonique. Ils ouvrent des perspectives intéressantes pour le développement de nanodispositifs hybrides plus complexes liants plasmons et excitons et contrôlés électriquement