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Étude numérique de nanostructures plasmoniques

Dans le cadre de nos études de l’interaction entre nano-émetteurs et structures plasmoniques, la connaissance des champs électromagnétiques dans le champ proche de la couche structurée métallique étudiée est un élément déterminant. Pour calculer et caractériser cette distribution des champs, nous utilisons une méthode de calcul 3D par éléments finis, spatiale et temporelle, la FDTD (Finite Difference Time-Domain) mise au point par K. S. Yee [1].

A l’aide du logiciel FDTD Solutions© de la société Lumerical, nous avons tout d’abord appliqué la méthode FDTD à des structures plasmoniques fractales pour mettre en évidence la présence de champs exaltés présents entre les grains métalliques [2, 3], à partir de surfaces d’or mesurées par AFM.

Distribution des exaltations de champs (b,c) à deux longueurs d’onde et histogrammes (d,e)

sur une structure fractale d’or (a)

De manière plus évidente, nous avons également appliqué cette méthode numérique à des structures plasmoniques ordonnées : pour étudier la distribution spatiale des plasmons dans un réseau de plots d’or nanométriques, excité électriquement sous une pointe STM [4] ; pour mettre en évidence l’orientation préférentielle des champs au voisinage d’un réseau de trous dans un film d’or [5].

         

Intensités de champs électromagnétiques au-dessus d’un réseau de plots d’or



Intensités de champs électromagnétiques au-dessus d’un réseau de trous dans une couche d’or et
déclins de fluorescence de nanocristaux sur différentes structures

Cette méthode a été également très utilisée dans le cadre du travail mené en collaboration avec nos collègues du LPQM concernant le couplage d'un NC individuel avec une structure photonique 3D en polymère [6].

 

[1] K. S. Yee,
“Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell’s equations in isotropic media,”
IEEE Trans. Antenn. Propag. 14(3), 302–307 (1966).

[2] S. Buil, J. Laverdant, B. Berini, P. Maso, J-P. Hermier, X. Quélin,
"FDTD simulations of localization and enhancements on fractal plasmonics nanostructures",
Opt. Express 20, 11968 (2012).

[3] D. Canneson, B. Berini, S. Buil, J-P. Hermier, X. Quélin,
"3D vector distribution of the electro-magnetic fields on a random gold film",
Optics Comm. 414, 113 (2018).

[4] D. Canneson, E. Le Moal, S. Cao, X. Quélin, H. Dallaporta, G. Dujardin, E. Boer-Duchemin,
"Surface plasmon polariton beams from an electrically excited plasmonic crystal",
Opt. Express 24, 26186 (2016).

[5] T. P. L. Ung, R. Jazi, J. Laverdant, R. Fulcrand, G. Colas des Francs, J-P. Hermier, X. Quélin, S. Buil,
"Scanning the plasmonic properties of a nanohole array with a single nanocrystal near-field probe",
to be published in Nanophotonics (2020).

[6] T.H. Au, S. Buil, X. Quélin, J-P. Hermier, N.D. Lai,
"High directional radiation of single photon emission in dielectric antenna",
ACS Photonics 6, 11 (2019).

Contact

Xavier Quélin