Maitrise

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL
INTÉGRATION SUR SILICIUM DE CAPTEURS PLASMONIQUES À BASE
DE NANOSTRUCTURES PÉRIODIQUES
LAURENT GUYOT
DÉPARTEMENT DE GÉNIE PHYSIQUE
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL
MÉMOIRE PRÉSENTÉ EN VUE DE L’OBTENTION
DU DIPLÔME DE MAÎTRISE ÈS SCIENCES APPLIQUÉES
(GÉNIE PHYSIQUE)
DÉCEMBRE 2011
© Laurent Guyot, 2011.

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL
Ce mémoire intitulé :
INTÉGRATION SUR SILICIUM DE CAPTEURS PLASMONIQUES À BASE DE
NANOSTRUCTURES PÉRIODIQUES
présenté par : GUYOT Laurent
en vue de l’obtention du diplôme de : Maîtrise ès sciences appliquées
a été dûment accepté par le jury d’examen constitué de :
M. PETER Yves-Alain, Dr. Sc., président
M. MEUNIER Michel, Ph. D., membre et directeur de recherche
Mme SANTATO Clara, Ph. D., membre

iii
DÉDICACE
À mes parents et amis,
Pour leur soutien pendant mes études.

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REMERCIEMENTS
J’aimerai remercier ici tous ceux qui m’ont aidé durant ce travail.
Tout d’abord, je tiens à remercier mon directeur de recherche, le professeur Michel
Meunier, pour m’avoir donné l’opportunité de travailler dans son équipe et pour son aide et ses
conseils.
Je veux aussi remercier en premier lieu le docteur Sergiy Patskovski, pour sa précieuse aide
et ses innombrables conseils et suggestions. Ma reconnaissance va aussi à tous mes collègues de
bureau et de laboratoire pour les nombreuses conversations et débats toujours constructifs que
nous avons eu. Ils m’ont offert un enrichissement certain, de par leur talent et leur expertise.
Je tiens également à remercier les personnes responsables du laboratoire de
microfabrication de l’École Polytechnique, qui m’ont beaucoup aidé dans la fabrication
d’échantillons, ainsi que le technicien Yves Drolet, pour son aide en laboratoire.
Enfin, je souhaite remercier les professeurs Yves-Alain Peter et Clara Santato pour avoir
accepté d’évaluer ce mémoire en tant que membres du jury.

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RÉSUMÉ
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