Axe 4 : optique des nanométaux et plasmonique

Responsable : Alexandre Vial

Membres :

Alexandre Vial (ECC HDR), Demetrio Macias (MdC), Timothée Toury (MdC), Elena Ionescu (ECC), Hong Shen (post-doc), Montacer Dridi (doctorant), Abdelwahab Tassadit (doctorant), Eric Kremer (doctorant)

Description de l'activité :

L'activité de l'axe <<optique des nano-métaux>> peut se scinder en deux sous-parties, l'une orientée vers la modélisation de l'interaction lumière-nanostructures métalliques à l'aide de différentes méthodes (FDTD, Green surfacique, Mie,...) et la résolution du problème inverse à l'aide d'algorithmes évolutionnaires, l'autre tournée vers l'étude théorique et expérimentale des phénomènes non-linéaires liés aux nanostructures métalliques.
L'activité de modélisation est en partie guidée par les activités des autres axes du laboratoire, ce qui fait que de manière générale, l'axe peut se caractériser par une activité de modélisation amont (développement de codes de calcul, méthodes d'optimisation,...), associée à une forte collaboration avec les axes plus expérimentaux du LNIO.

Dans le cadre de la première partie, nous avons plus particulièrement étudié les problèmes liés à la description de la permittivité des métaux. Celle-ci est généralement décrite par le modèle de Drude-Lorentz [5,6,8,11], mais le nombre de termes devant être pris en compte pour obtenir une bonne description sur une large gamme spectrale nécessite une quantité de mémoire rapidement rédhibitoire pour effectuer le calcul. Nous nous sommes alors tourné vers le modèle des points critiques [7], qui permet une meilleure description des permittivités de différents métaux (or, argent, chrome, aluminium, cuivre) avec un nombre de termes limités [9-10]. Ceci permet alors à l'aide de la méthode FDTD de conduire des études spectrales sur une large gamme de longueurs d'ondes, avec la possibilité de tenir compte de structures contenant plusieurs types de métaux. De nombreux travaux communs issus de ces résultats ont été menés avec les axes 1 et 2 [12-15].

Nanofil
Etude de la propagation du plasmon sur un nanofil d'argent monocristallin [8]

Toujours avec la méthode FDTD, nous nous sommes intéressés à la possibilité de retrouver les paramètres (dimensions de la structure, angle d'incidence, polarisation) permettant d'obtenir une certaine topographie de champ [1-4], ou à la possibilité d'optimiser ces mêmes paramètres afin d'obtenir certaines caractéristiques pour le champ (visibilité maximale, intensité maximale,...). Cette résolution du problème inverse est rendue possible grâce à l'utilisation d'algorithmes évolutionnaires, qui permettent, grâce à la mutation, la recombinaison et la sélection des paramètres initiaux du problème, d'optimiser le résultat.

La seconde partie porte sur le design et la conception de nanoparticules métalliques pour leurs propriétés optiques non linéaires. Ces nanosystèmes sont des objets de choix ayant montré leur efficacité dans ce domaine. Nous portons nos efforts sur le développement de nouveaux procédés de fabrication de ces nanoparticules, sur la modélisation et la compréhension de leur réponse non linéaire, sur leur caractérisation et leurs applications.

Publications significatives :

  1. D. Macías, A. Vial, and D. Barchiesi. Application of evolution strategies for the solution of an inverse problem in near-field optics . J. Opt. Soc. Am. A, 21: 1465–1471, 2004.

  2. D. Macías and D. Barchiesi. Identification of unknown experimental parameters from noisy A-SNOM data with an evolutionary procedure.   Optics letters, 30: 2557-2559, 2005.

  3. E. Méndez and D. Macías. Inverse problems in optical scattering. In: MARADUDIN, A. Light Scattering and Nanoscale Surface Roughness. New York: Springer, 2006. p. 435-465.

  4. D. Macias and A. Vial. Optimal design of plasmonic nanostructures for plasmon-interference assisted lithography . Appl. Phys. B-Lasers Opt., 93(1): 159-163, 2008.

  5. A. Vial, A.-S. Grimault, D. Macías, D. Barchiesi, and M. Lamy de la Chapelle. Improved analytical fit of gold dispersion : application to the modelling of extinction spectra with the FDTD method . Phys. Rev. B, 71(8): 085416–085422, 2005.

  6. A.-S. Grimault, A. Vial, and M. Lamy de la Chapelle. Modeling of regular gold nanostructures arrays for sers applications using a 3D FDTD method . Appl. Phys. B-Lasers Opt., 84(1-2): 111–115, 2006.

  7. A. Vial. Implementation of the critical points model in the recursive convolution method for dispersive media modeling with the FDTD method . J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 9(7): 745–748, 2007. (PDF)

  8. T. Laroche, A. Vial and M. Roussey. Crystalline structure's influence on the Near-field optical properties of single plasmonic nanowires . Appl. Phys. Lett., 91(12): 123101, 2007.

  9. A. Vial and T. Laroche. Description of dispersion properties of metals by mean of the critical points model and application to the study of resonant structures using the FDTD method . J. Phys. D: Appl. Phys., 40(22): 7152-7158, 2007. (PDF)

  10. A. Vial and T. Laroche. Comparison of gold and silver dispersion laws suitable for FDTD simulations . Appl. Phys. B-Lasers Opt., 93(1): 139-143, 2008.

  11. A.-S. Grimault, A. Vial, J. Grand and M. Lamy de la Chapelle. Modeling of the near-field of metallic nanoparticle gratings: Localized Surface Plasmon Resonance and SERS applications . J. Microscopy, 229(3): 428-432, 2008.

  12. C. Hubert, A. Rumyantseva,G. Lérondel, J. Grand,S. Kostcheev, L. Billot, A. Vial,R. Bachelot, P. Royer, S.H. Chang, S.K. Gray, G.P.Wiederrecht, and G. C. Schatz. Near-fieldphotochemical imaging of noble metal nanostructures . Nanolett., 5(4):615–619, 2005.

  13. J. Grand,M. Lamy de la Chapelle, J.-L.Bijeon, P.-M. Adam, A. Vial, and P. Royer. Role of localized suface plasmons in surface enhanced raman scattering ofshape-controlled metallic particles in regular arrays . Phys. Rev. B,72(3): 033407, 2005.

  14. J. Grand, P.-M. Adam, A.-S. Grimault,A. Vial, M. Lamy de la Chapelle,J.-L. Bijeon, S. Kostcheev, and P. Royer. Optical extinction spectroscopy of oblate, prolate and ellipsoid shaped goldnanoparticles: experiments and theory . Plasmonics, 1(2-4): 135–140, 2006.

  15. H. Ibn El Ahrach, R. Bachelot, A. Vial, G.Lérondel, J. Plain, P. Royer and O. Soppera. Spectral degeneracy breaking of the plasmon resonance of single metalnanoparticles by nanoscale near-field photopolymerization . Phys. Rev. Lett., 98(10): 107402, 2007.