fc£l SHERBROOKE R i l UNIVERSITÉ DE

Faculté de génie
Département de génie électrique et informatique
Sherbrooke (Québec)
Canada J1K 2R1
Ril UNIVERSITÉ DE
fc£l SHERBROOKE
Mémoire de maîtrise en sciences appliquées
Spécialité : génie électrique
par
Dominic CARRIER
INTERFEROMETRIE AUTO-REFERENCEE PAR PLASMONS DE
SURFACE ~ UNE APPROCHE VERS LA BIODÉTECTION ~
« En se basant sur la théorie électromagnétique des modes couplés dans les structures
laminaires pour créer le tissu théorique et des simulations FEM pour effectuer les
démonstrations préliminaires, l'objectif de cette maîtrise est d'ajouter à la surface
d'un biodétecteur SPR (résonance de plasmons de surface] une microstructure
permettant une mesure interférométrique de l'indice de réfraction. »
Jury: Jan J. DUBOWSKI (directeur) Déposé le : 2010/11/15
Andrei KABASHIN
Denis MORRIS
\V. atfia

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INTERFEROMETRIE AUTO-RÉFÉRENCÉE PAR PLASMONS DE
SURFACE : UNE APPROCHE VERS LA BIODÉTECTION
Self-referenced surface plasmons interferometry: A way towards biosensing
L'accessibilité aux techniques d'analyse avancées est souvent un problème pour l'établissement des
diagnostics posés par le personnel médical. Les techniques classiques requièrent souvent des
installations considérables (laboratoires d'analyses) ou utilisent des équipements volumineux et
difficilement disponibles.
Dans le but de résoudre ce problème, l'usage d'une plateforme technologique composée de
l'intégration partielle d'un biodétecteur sur une structure auto-émettrice est un intéressant point de
départ. Cette plateforme considère le problème d'accessibilité à la technologie directement en
réduisant la taille et le coût relié à celle-ci. L'usage d'une structure compatible aux procédés de
microfabrication couramment utilisés dans l'industrie de la microélectronique indique la possibilité
d'augmenter l'échelle de production aisément et à faible coût.
En contrepartie, les systèmes non intégrés sont généralement plus polyvalents sur les procédés de
détection possibles mais aussi plus sensible, grâce à des systèmes optiques complexes. L'intégration
d'un système interférométrique et son couplage à la plateforme technologique déjà existante
permettraient l'implémentation d'une mesure basée sur la détection de phase additionnelle à la
mesure classique de l'intensité, menant ainsi à l'augmentation de la sensibilité du biodétecteur.
En se basant sur la théorie électromagnétique des modes couplés dans les structures laminaires pour
créer le tissu théorique et sur des simulations FEM (modélisation par éléments finis) pour effectuer
les démonstrations préliminaires, l'objectif de cette maîtrise consiste à étudier les caractéristiques
d'un biodétecteur SPR (résonance de plasmons de surface) dont la mesure d'indice de réfraction de
surface utilise une approche interférométrique. Pour ce faire, une microstructure est ajoutée à la
surface du biodétecteur pour coupler une lumière incidente cohérente aux modes de surface.
Ces modes de surface sont le produit de l'interaction et de l'interférence des plasmons diffractés par
les différentes composantes de la microstructure. Dans un cas de microstructure simple, par
exemple une paire de réseaux finis adjacents, l'analyse détaillée de l'interaction des plasmons
diffractés est possible, comme il sera démontré dans ce document. Cette interaction sera ensuite
liée à la forme de la résonance de la structure et comparée à d'autres cas simples, dont une structure
classique de SPR.
Cette transformation de la forme de la résonance augmente la précision globale de la mesure du
biodétecteur sans en augmenter grandement la complexité. La méthode interférométrique promet
des résultats très intéressants sous certain paramètres, aussi mis en évidence dans ce mémoire.
Mots-clés : Interférométrie ; SPR ; FEM ; Plasmons de surface ; Réseaux de diffraction.

Table des matières
INTRODUCTION 1
CHAPITRE 1 - CONCEPTS DE BASE 5
1.1-Concepts de biodétection 5
1.1.1 - Mesure de propriétés physiques 6
1.1.2-Couchesde'fonctionnalisation biologique 7
1.1.3-Biodétection 8
1.1.4-Fiabilité et orthogonalité 9
1.2 - Résonance de plasmon de surface 9
1.2.1 - Nature intrinsèque des plasmons de surface 10
1.2.2 - Méthodes de couplage 11
1.2.3 - Effet de résonance 15
1.3-Outils d'expérimentation 15
CHAPITRE 2-MÉTHODOLOGIE DE VÉRIFICATION DES SIMULATIONS 17
2.1 - Expériences classiques 17
2.1.1-Architecture de réfraction simple 17
2.1.2-Architecture de réflexion totale interne 19
2.1.3 - Interface entre deux diélectriques séparés par un métal 20
2.2 -Couplage lumière - plasmons de surface 21
2.2.1-Distinction entre onde évanescente etSP 21
2.2.2 - Équivalence entre le couplage direct et le couplage par diffraction (0eme et 1er ordre) 23
2.3 -Vérifications des propriétés des plasmons de surfaces 25
2.3.1-Solution des équations de Maxwell 26
2.3.2-Calcul analytique et simulations 27
CHAPITRE 3 - MÉTHODES DE SIMULATIONS FEM ET PLASMONS DE SURFACE 31
3.1-Architecture sans diffraction 31
3.2-Architecture perturbée 33
3.3-Architecture avec réseau infini 34
3.3.1-Restriction des analyses 34
3.3.2 - Restriction de la simulation 35
CHAPITRE 4-PROPOSITION D'UN INTERFÉROMÈTRE PLASMONIQUE 39
4.1-Intégration d'un système interférométrique plasmonique 39
4.1.1-Révision de l'interférométrie 40
4.1.2 - Réseaux finis : sources cohérentes de SP 41
- m-