Propagation sub-longueur d`onde au sein de nanotubes et

ANNÉE 2014
THÈSE / UNIVERSITÉ DE RENNES 1
sous le sceau de l’Université Européenne de Bretagne
pour le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE RENNES 1
Mention : Physique
Ecole doctorale Science De La Matière
présentée par
John Bigeon
Préparée à l’unité de recherche UMR-CNRS 6251
Institut de Physique de Rennes
Propagation
sub-longueur
d'onde au sein de
nanotubes et
nanofils polymères
passifs et actifs
Thèse soutenue à Université Rennes 1
le 23 Octobre 2014
devant le jury composé de :
Pierre Viktorovitch (rapporteur)
Directeur de recherche, Ecole Centrale de Lyon
Guilhem Almuneau (rapporteur)
Chargé de recherche, LAAS, Université de Toulouse
Frédérique De Fornel (examinateur)
Directeur de recherche, ICB, Université de Bourgogne
Lionel Hirsch (examinateur)
Directeur de recherche, IMS, Université de Bordeaux 1
Nolwenn Huby (co-directeur de thèse)
Maître de conférences, IPR, Université de Rennes 1
Bruno Bêche (directeur de thèse)
Professeur, IPR, Université de Rennes 1
Jean-Luc Duvail (directeur de thèse)
Professeur, IMN, Université de Nantes

Table des matières
Contexte 1
I) Introduction 5
A) Concept de la nanophotonique et de l’optique intégrée ............ 5
B) Propagation de la lumière ............................ 7
B-1 Electromagnétisme et équations de Maxwell . . . . . . . . . . . . . . 8
Relations de continuité .......................... 8
Les milieux diélectriques ......................... 9
B-2 Guide d’onde et propagation électromagnétique ............ 9
B-3 Les nanofibres ............................... 11
Le champ évanescent ........................... 11
B-4 Les nanotubes .............................. 12
Confinement de la densité d’énergie dans le coeur d’air ........ 14
Vitesse de groupe et phénomène de dispersion ............. 15
Mode de fuites Leaky modes ....................... 17
C) Matériaux d’intérêt exploités durant cette thèse ................ 19
C-1 Polymères et matériaux organiques utilisés en photonique intégrée .19
C-2 Polymères π-conjugués .......................... 20
Propriétés optiques ............................ 21
C-3 Clusters d’éléments de transition .................... 21
Propriétés optiques ............................ 23
C-4 Effet laser ................................. 23
D) Nanofibres : élaboration et exploitation ..................... 26
Etirage mécanique ............................ 26
Electrospinning .............................. 27

Auto-assemblage moléculaire ...................... 29
Synthèse à partir d’une phase vapeur .................. 29
Méthode hard template .......................... 30
Tableau récapitulatif des méthodes d’élaboration : avantages et in-
convénients ........................... 32
D-1 Méthodes de couplage des nanostructures guidantes ......... 34
Fibre étirée ................................ 34
Couplage evanescent à partir d’une microstructure pré-existante . . 35
Guide d’onde biophotonique ....................... 36
Couplage par réseau périodique, approche Bragg ........... 36
Nanofibres dopées de matériaux actifs luminescents .......... 37
D-2 Exemples de réalisations en nanophotonique . . . . . . . . . . . . . . 39
Plateforme d’étude des phénomènes nanophysiques .......... 40
Résonateurs optiques en nanofils de silice ............... 41
Capteur de gaz .............................. 41
De la nanofibre lumineuse à la source nanolaser ............ 42
Plasmonique ............................... 43
Applications exotiques : Guidage optique d’atome froid ....... 44
E) Conclusion .................................... 45
II) Modélisation de la propagation sub-longueur d’onde par méthode
numérique FDTD 47
A) Principe de la méthode FDTD ......................... 48
A-1 Définition de la cellule de Yee ...................... 48
A-2 Critère de stabilité ............................ 50
B) Propagation sub-longueur d’onde au sein des nanofibres ........... 51
B-1 Propagation sub-longueur au sein d’un nanotube ........... 52
B-2 Confinement de la lumière pour les géométries nanotube et nanofil .54
B-3 Influence du substrat ........................... 59
B-4 Phénomène de dispersion modale au sein des nanofibres ....... 61
C) Injection de lumière dans les nanofibres par une microlentille ........ 62
C-1 Distance effective pour un couplage efficace . . . . . . . . . . . . . . 63

C-2 Évolution du diamètre de faisceau en fonction du diamètre de la
nanofibre ................................. 64
D) Propagation sub-longueur d’onde et localisation d’énergie au sein d’une paire
de nanotubes parallèles .............................. 67
E) Conclusions .................................... 69
III) Fabrication, injection et propagation de la lumière dans des nanofi-
bres passives 71
A) Choix de la résine SU8 .............................. 72
B) Elaboration des nanofibres ............................ 73
B-1 Stratégie wetting template ........................ 73
Les membranes d’alumine nanoporeuses ................ 73
Protocole d’imprégnation et dispersion des nanofibres ........ 74
Phénomène de dispersion des nanofibres par les solvants ....... 75
C) Analyse morphologique .............................. 77
C-1 Etude par microscopie électronique à balayage MEB ......... 77
Contrôle de la morphologie nanofils et nanotubes; épaisseur des parois
en fonction de la viscosité et du diamètre des pores . . . . 77
C-2 Etude par microscopie électronique à transmission TEM ....... 80
C-3 Etude par microscopie à force atomique ................ 81
D) Injection et propagation sub-longueur d’onde dans les nanofibres ...... 83
D-1 Dispositif expérimental .......................... 83
D-2 Cartographie du couplage entre microlentille et nanofibre ...... 86
D-3 Propagation sub-longueur d’onde au sein des nanotubes et des nanofils 87
Evolution du diamètre de spot propagatif en fonction du diamètre de
la nanofibre ........................... 87
Couplage inter-nanofibres ........................ 88
Autre approche : fixation d’une nanofibre à l’extrémité d’une micro-
lentille .............................. 89
E) Détermination des pertes de propagation .................... 89
E-1 Manipulation des nanofibres par pointe STM : de la courbure à la
coupure .................................. 90