Sujet de Doctorats 2013 - IEMN

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Titre : Film de Graphène comme séparateur entre des particules et un film métallique : étude théoriqueet expérimentale des propriétés plasmoniquesFinancement prévu :Cofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Abdellatif AKJOUJE-mail : abdellatif.akjouj@univ-lille1.frCo-directeur de thèse : Gaëtan LEVEQUEE-mail : gaetan.leveque@univ-lille1.frLaboratoire : Institut d’électronique, de microélectronique et de NanotechnologiesGroupe de recherche : Ephoni, groupe de PhysiqueDescriptif :Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une collaboration récemment entamée entre le groupe Ephoni del’IEMN, l’Institut de Recherche Interdisciplinaire (IRI) de Lille 1, le Laboratoire de Nanotechnologie etd’Instrumentation Optique (LNIO) de Troyes et le Laboratoire de Recherche en Nanosciences (LRN)de Reims. Elle porte sur l’utilisation de monocouches de graphène comme couche séparatriced'épaisseur sub-nanométrique dans un système de nanoparticules métalliques déposées sur un filmmince également métallique, dans le but de développer des capteurs à haute sensibilité pour la détectionde très faibles variations d’indice de réfraction. Ces systèmes présentent des modes plasmon de surfacedont la longueur d'onde de résonance change de plusieurs nanomètres quand la distance film-particulesest modifiée de quelques angströms seulement. Comparés aux méthodes de dépôts de type ALD ou deSAMs, les monocouches de graphène (d'épaisseur 0.34 nm) permettent de protéger de l’oxydation desmatériaux à faibles pertes optiques comme l’argent, et leurs propriétés optiques peuvent être contrôléespar dopage ou modification de leur état de surface.Il s’agira donc au cours de cette thèse d’étudier l’aspect fondamental de l’interaction du graphène avecdes structures plasmoniques et de concevoir des structures optimisées en termes de sensibilité à unevariation d’indice de réfraction. Elle sera réalisée dans le groupe Ephoni, qui possède déjà une bonneexpérience dans le domaine des capteurs bio-plasmoniques. Il s’agira dans un premier temps d’étudierdes films métalliques recouverts d’une ou plusieurs couches de graphène et de mettre en évidencel’influence de l’environnement du graphène sur son indice de réfraction, celui-ci pouvant être modifiéen présence d’un conducteur par déplacement du niveau de Fermi du graphène. Les courbes dedispersion des modes plasmons de surface des différents substrats modélisés seront comparées auxmesures expérimentales et permettront de remonter à l’indice de réfraction du graphène. Dans undeuxième temps, il s’agira de comprendre et optimiser théoriquement le couplage entre les substratsmétalliques modifiés par le graphène avec un système de particules métalliques isolées ou arrangées enréseau périodique. L’étudiant cherchera essentiellement à mettre en évidence les différents modes deplasmon de surface par des calculs de spectres d’extinction ou d’absorption. Les systèmes à base degraphène seront comparés à des substrats de références comportant des couches séparatricesdiélectriques. Enfin, il étudiera la sensibilité des différents modes obtenus par rapport à un changement72
d’indice de réfraction du milieu de détection. En fonction de l’avancement du projet, l’étudiant pourraégalement participer à la réalisation expérimentale des substrats plasmoniques (IEMN et IRI), ainsiqu’à leur caractérisation optique (LNIO et LRN).73
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