Soutenance de thèse de Ibtissem BOUANANE

La conception de métasurfaces absorbantes dans les domaines du visible et de l'infrarouge s’avère très intéressante pour différentes applications telles que le solaire thermique et photovoltaïque, les photodétecteurs ou encore les capteurs. L'opportunité d'utiliser des nanostructures artificielles pour réaliser ces nouveaux matériaux a suscité un énorme intérêt au cours des dernières décennies. Leurs propriétés optiques uniques permettent d’envisager un contrôle de l'interaction lumière-matière, pour des longueurs d’onde optiques spécifiques contrôlables par le design de la structure et ses paramètres géométriques. Parmi les différentes nanostructures existantes, les résonateurs métalliques à anneau fendu sont des métamatériaux bien connus offrant des possibilités uniques de contrôle de la réponse aux composantes électriques et magnétiques de la lumière dans les bandes visibles et infrarouges. Leur forme circulaire leur confère, en plus des résonances à caractère électrique, des résonances magnétiques induites optiquement en raison de leur forme. Les champs électriques et magnétiques peuvent alors provoquer une exaltation des propriétés d'absorption à la longueur d'onde de résonance. De plus, les nano-anneaux fendus offrent des possibilités uniques pour contrôler avec précision la réponse lumineuse en fonction de leurs paramètres géométriques variés. L’objet de cette thèse est l’étude théorique et expérimentale d’une métasurface absorbante, composée de nano-anneaux métalliques aux paramètres géométriques réalistes (vis-à-vis de contraintes de fabrication) et qui doit prendre la forme d’un revêtement souple et flexible. Dans un premier temps, une étude paramétrique réalisée à l’aide d’outils de simulation numérique permet l’optimisation de la structure. Au cours de ce travail, deux approches expérimentales ont été définies pour la réalisation. La première est une méthode classique descendante réalisée par lithographie électronique et métallisation qui a permis de valider le modèle de simulation. La seconde est une approche ascendante innovante pour la fabrication de surfaces nanophotoniques à partir de nanocubes colloïdaux auto-assemblés. Cette seconde méthode doit permettre une réalisation à grande échelle, contrôlée, et à moindre coût comparée aux méthodes existantes. Ce travail a été réalisé dans le cadre d’une collaboration entre l’IM2NP, le CINAM et Thalès.

The design of absorbing metasurfaces in the visible and infrared domains is very attractive for different applications such as solar thermal and photovoltaic, photodetectors or sensors. The opportunity to use artificial nanostructures to made these new materials has generated tremendous interest over the past decades. Their unique optical properties allow to consider a control of the light-matter interaction, for specific optical wavelengths tunable by the design of the structure and its geometric parameters. Among the various existing nanostructures, metallic split-ring resonators are well-known metamaterials offering unique possibilities for controlling the response to the electric and magnetic components of light in the visible and infrared bands. Their circular shape gives them, in addition to electrical resonances, optically induced magnetic resonances due to their shape. The electric and magnetic fields can then cause an enhancement of the absorption properties at the resonance wavelength. Additionally, split nanorings provide unique possibilities to precisely control the light response based on their varied geometric parameters. The objective of this thesis is the theoretical and experimental study of an absorbent metasurface, composed of metallic nanorings with realistic geometric parameters (with respect to manufacturing constraints) and which must take the form of a soft and flexible coating. First, a parametric study carried out using numerical simulation tools allows the optimization of the structure. During this work, two experimental approaches were defined for the realization. The first is a traditional top-down method carried out by electronic lithography and metallization which made it possible to validate the simulation model. The second is an innovative bottom-up approach for fabricating nanophotonic surfaces from self-assembled colloidal nanocubes. This second method should permit a large-scale, controlled production at a lower cost compared to existing methods. This work was carried out as part of a collaboration between IM2NP, CINAM and Thalès.