Modes propres plasmon de surface révélés par spectroscopies d'électrons rapides (de systèmes modèles simples vers des systèmes complexes)

Les plasmons de surface (SP) sont des excitations mêlant électrons et photons localisées aux surfaceset interfaces métalliques. On peut les voir classiquement comme les modes électromagnétiquespropres d un ensemble constitué d un métal et d un diélectrique. Cette thèse se base sur la capacitéofferte par les techniques de spectroscopie utilisant des électrons rapides disponibles dans un microscopeélectronique à balayage en transmission (STEM), de cartographier, dans une large gammespectrale et avec une résolution spatiale nanométrique, les modes propres SP. Une telle capacitéa été démontrée séparément, durant ces dernières années, par des expériences de spectroscopie depertes d énergie d électrons (EELS), qui mesurent l énergie perdue par des électrons rapides intéragissantavec un échantillon, et de cathodoluminescence (CL), qui mesurent l énergie réémisepar l échantillon par l intermédiaire de photons, toutes deux résolues spatialement. Dans le cas del EELS, ces résultats expérimentaux sont aujourd hui interprétables à l aide d analyses théoriquesconvaincantes tendant à prouver que la quantité mesurée dans une telle expérience peut être interprétéede façon sûre en terme de modes propres de surface de l échantillon. Afin d élargir une telleinterprétation aux techniques de spectroscopies utilisant des électrons rapides en général, j ai effectuédes expériences combinées d EELS et de CL résolues spatialement sur une nanoparticle uniquesimple (un nanoprisme d or). J ai montré que les résultats offerts par ces deux techniques présententde fortes similitudes mais également de légères différences, ce qui est confirmé par des simulationsnumériques. J ai étendu l analyse théorique du signal EELS au signal CL, et ai montré que la CLcartographie, tout comme l EELS, les modes de surface radiatifs du sytème, mais avec des propriétésspectrales légèrement différentes. Ce travail constitue une preuve de principe clarifiant les quantitésmesurées en EELS et CL sur des systèmes métal-dielectriques. Ces dernières sont démontrées êtrerespectivement des équivalents nanométriques des spectroscopies d extinction et de diffusion de lalumière. Basé sur cette interprétation, j ai utilisé l EELS pour dévoiler les modes propres SP demilieux métalliques aléatoires (dans notre cas, des films semicontinus métalliques avant le seuil depercolation). Ces modes propres constituent une problématique de longue date dans le domainede la nanooptique. J ai directement identifié ces modes par des mesures et le traitement de leursrésultats. J ai complètement caractérisé ces modes propres via les variations spatiales de l intensitéliée à leur champ électrique, une énergie propre et un taux de relaxation. Ce faisant, j ai montré quela géométrie fractale du milieu, dont la prédominance croit au fur et à mesure que l on s approchede la percolation, est responsable de l existence de modes propres de type aléatoire à basse énergie.Surface Plasmons (SP) are elementary excitations mixing electrons and photons at metal surfaces,which can be seen in a classical electrodynamics framework as electromagnetic surface eigenmodesof a metal-dielectric system. The present work bases on the ability of mapping SP eigenmodes withnanometric spatial resolution over a broad spectral range using spatially resolved fast electron basedspectroscopies in a Scanning Transmission Electron Microscope (STEM). Such an ability has beenseparately demonstrated during the last few years by many spatially resolved experiments of ElectronEnergy Loss Spectroscopy (EELS), which measures the energy lost by fast electrons interactingwith the sample, and CathodoLuminescence (CL), which measures the energy released by subsequentlyemitted photons. In the case of EELS, the experimental results are today well accountedfor by strong theory elements which tend to show that the quantity measured in an experiment canbe safely interpreted in terms of the surface eigenmodes of the sample. In order to broaden thisinterpretation to fast electron based spectroscopies in general, I have performed combined spatiallyresolved EELS and CL experiments on a simple single nanoparticle (a gold nanoprism). I have shownthat EELS and CL results bear strong similarities but also slight differences, which is confirmed bynumerical simulations. I have extended the theoretical analysis of EELS to CL to show that CLmaps equally well than EELS the radiative surface eigenmodes, yet with slightly different spectralfeatures. This work is a proof of principle clarifiying the quantities measured in EELS and CL,which are shown to be respectively some nanometric equivalent of extinction and scattering spectroscopieswhen applied to metal-dielectric systems. Based on this interpretation, I have applied EELSto reveal the SP eigenmodes of random metallic media (in our case, semicontinuous metal films beforethe percolation threshold). These SP eigenmodes constitute a long standing issue in nanooptics.I have directly identified the eigenmodes from measurements and data processing. I havefully characterized these eigenmodes experimentally through an electric field intensity pattern, aneigenenergy and a relaxation rate. Doing so, I have shown that the fractal geometry of the medium,which grows towards the percolation, induces random-like eigenmodes in the system at low energies.Keywords: Surface plasmons, fast electron based spectroscopies, scanning transmission electronmicroscopy, disordered mediaPARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Fundamental Limit of Plasmonic Cathodoluminescence

We use cathodoluminescence (CL) spectroscopy in a transmission electron microscope to probe the radial breathing mode of plasmonic silver nanodisks. A two-mirror detection system sandwiching the sample collects the CL emission in both directions, that is, backward and forward with respect to the electron beam trajectory. We unambiguously identify a spectral shift of about 8 nm in the CL spectra acquired from both sides and show that this asymmetry is induced by the electron beam itself. By numerical simulations, we confirm the observations and identify the underlying physical effect due to the interference of the CL emission patterns of an electron-beam-induced dipole and the breathing mode. This effect can ultimately limit the achievable fidelity in CL measurements on any system involving multiple excitations and should therefore be considered with care in high-precision experiments

Modes propres plasmon de surface révélés par spectroscopies d'électrons rapides : de systèmes modèles simples vers des systèmes complexes

Surface Plasmons (SP) are elementary excitations mixing electrons and photons at metal surfaces,which can be seen in a classical electrodynamics framework as electromagnetic surface eigenmodesof a metal-dielectric system. The present work bases on the ability of mapping SP eigenmodes withnanometric spatial resolution over a broad spectral range using spatially resolved fast electron basedspectroscopies in a Scanning Transmission Electron Microscope (STEM). Such an ability has beenseparately demonstrated during the last few years by many spatially resolved experiments of ElectronEnergy Loss Spectroscopy (EELS), which measures the energy lost by fast electrons interactingwith the sample, and CathodoLuminescence (CL), which measures the energy released by subsequentlyemitted photons. In the case of EELS, the experimental results are today well accountedfor by strong theory elements which tend to show that the quantity measured in an experiment canbe safely interpreted in terms of the surface eigenmodes of the sample. In order to broaden thisinterpretation to fast electron based spectroscopies in general, I have performed combined spatiallyresolved EELS and CL experiments on a simple single nanoparticle (a gold nanoprism). I have shownthat EELS and CL results bear strong similarities but also slight differences, which is confirmed bynumerical simulations. I have extended the theoretical analysis of EELS to CL to show that CLmaps equally well than EELS the radiative surface eigenmodes, yet with slightly different spectralfeatures. This work is a proof of principle clarifiying the quantities measured in EELS and CL,which are shown to be respectively some nanometric equivalent of extinction and scattering spectroscopieswhen applied to metal-dielectric systems. Based on this interpretation, I have applied EELSto reveal the SP eigenmodes of random metallic media (in our case, semicontinuous metal films beforethe percolation threshold). These SP eigenmodes constitute a long standing issue in nanooptics.I have directly identified the eigenmodes from measurements and data processing. I havefully characterized these eigenmodes experimentally through an electric field intensity pattern, aneigenenergy and a relaxation rate. Doing so, I have shown that the fractal geometry of the medium,which grows towards the percolation, induces random-like eigenmodes in the system at low energies.Keywords: Surface plasmons, fast electron based spectroscopies, scanning transmission electronmicroscopy, disordered mediaLes plasmons de surface (SP) sont des excitations mêlant électrons et photons localisées aux surfaceset interfaces métalliques. On peut les voir classiquement comme les modes électromagnétiquespropres d’un ensemble constitué d’un métal et d’un diélectrique. Cette thèse se base sur la capacitéofferte par les techniques de spectroscopie utilisant des électrons rapides disponibles dans un microscopeélectronique à balayage en transmission (STEM), de cartographier, dans une large gammespectrale et avec une résolution spatiale nanométrique, les modes propres SP. Une telle capacitéa été démontrée séparément, durant ces dernières années, par des expériences de spectroscopie depertes d’énergie d’électrons (EELS), qui mesurent l’énergie perdue par des électrons rapides intéragissantavec un échantillon, et de cathodoluminescence (CL), qui mesurent l’énergie réémisepar l’échantillon par l’intermédiaire de photons, toutes deux résolues spatialement. Dans le cas del’EELS, ces résultats expérimentaux sont aujourd’hui interprétables à l’aide d’analyses théoriquesconvaincantes tendant à prouver que la quantité mesurée dans une telle expérience peut être interprétéede façon sûre en terme de modes propres de surface de l’échantillon. Afin d’élargir une telleinterprétation aux techniques de spectroscopies utilisant des électrons rapides en général, j’ai effectuédes expériences combinées d’EELS et de CL résolues spatialement sur une nanoparticle uniquesimple (un nanoprisme d’or). J’ai montré que les résultats offerts par ces deux techniques présententde fortes similitudes mais également de légères différences, ce qui est confirmé par des simulationsnumériques. J’ai étendu l’analyse théorique du signal EELS au signal CL, et ai montré que la CLcartographie, tout comme l’EELS, les modes de surface radiatifs du sytème, mais avec des propriétésspectrales légèrement différentes. Ce travail constitue une preuve de principe clarifiant les quantitésmesurées en EELS et CL sur des systèmes métal-dielectriques. Ces dernières sont démontrées êtrerespectivement des équivalents nanométriques des spectroscopies d’extinction et de diffusion de lalumière. Basé sur cette interprétation, j’ai utilisé l’EELS pour dévoiler les modes propres SP demilieux métalliques aléatoires (dans notre cas, des films semicontinus métalliques avant le seuil depercolation). Ces modes propres constituent une problématique de longue date dans le domainede la nanooptique. J’ai directement identifié ces modes par des mesures et le traitement de leursrésultats. J’ai complètement caractérisé ces modes propres via les variations spatiales de l’intensitéliée à leur champ électrique, une énergie propre et un taux de relaxation. Ce faisant, j’ai montré quela géométrie fractale du milieu, dont la prédominance croit au fur et à mesure que l’on s’approchede la percolation, est responsable de l’existence de modes propres de type aléatoire à basse énergie

La microscopie de photoémission d’électrons, un outil multidimensionnel pour l’optique champ proche

La microscopie de photoémission d’électrons constitue une technique non intrusive d’investigation du champ proche optique. Son domaine d’application actuel autorise une approche physique multidimensionnelle des phénomènes d’optique de champ proche aux échelles spatiale (nm), temporelle (fs) et spectrale (meV)

Link between Cathodoluminescence and Electron Energy Loss Spectroscopy and the Radiative and Full Electromagnetic Local Density of States

Electron energy loss spectroscopy (EELS) and cathodoluminescence (CL) have proved during the past few years to be tremendous tools to study surface plasmons in metallic nanoparticles, thanks to an extremely high spatial resolution combined with a broad spectral range. Despite their apparent close resemblance, qualitative differences between EELS and CL have been theoretically as well as experimentally pinpointed. We demonstrate that these differences are recovered when comparing the full electromagnetic local density of states (EMLDOS) and the radiative EMLDOS. Following the known relation established between EELS and the projection along the electron trajectory of the full EMLDOS, we introduce a formalism based on the Maxwell electric Green tensor to draw a link between CL and the projection along the electron trajectory of the radiative EMLDOS. We discuss in simple terms the differences between EELS (projected full EMLDOS) and CL (projected radiative EMLDOS) through modal decompositions obtained in the quasistatic approximation. Contrary to EELS, CL probes only the radiative modes. Furthermore, CL resonant line shapes may be shifted and asymmetric compared to EELS. The CL asymmetry is due to interferences in the far-field radiation from spectrally and spatially overlapping modes. Our analytical expressions are illustrated through boundary element method numerical simulations

Electron microscopy methods for space-, energy-, and time-resolved plasmonics

Nanoscale plasmonic systems combine the advantages of optical frequencies with those of small spatial scales, circumventing the limitations of conventional photonic systems by exploiting the strong field confinement of surface plasmons. As a result of this miniaturization to the nanoscale, electron microscopy techniques are the natural investigative methods of choice. Recent years have seen the development of a number of electron microscopy techniques that combine the use of electrons and photons to enable unprecedented views of surface plasmons in terms of combined spatial, energy, and time resolution. This review aims to provide a comparative survey of these different approaches from an experimental viewpoint by outlining their respective experimental domains of suitability and highlighting their complementary strengths and limitations as applied to plasmonics in particular

How Dark Are Radial Breathing Modes in Plasmonic Nanodisks?

Due to a vanishing dipole moment, radial breathing modes in small flat plasmonic nanoparticles do not couple to light and have to be probed with a near field source, as in electron energy loss spectroscopy (EELS). With increasing particle size, retardation gives rise to light coupling, enabling probing breathing modes optically or by cathodoluminescence (CL). Here, we investigate single silver nanodisks with diameters of 150−500 nm by EELS and CL in an electron microscope and quantify the EELS/CL ratio, which corre sponds to the ratio of full to radiative damping of the breathing mode. For the investigated diameter range, we find the CL signal to increase by about 1 order of magnitude, in agreement with numerical simulations. Due to reciprocity, our findings corroborate former optical experiments and enable a quantitative understanding of the light coupling of dark plasmonic modes.Enabling Science and Technology through European Electron Microscop

Modal Analysis of the Ultrafast Dynamics of Optical Nanoresonators

We propose a semianalytical formalism based on a time-domain resonant-mode-expansion theory to analyze the ultrafast temporal dynamics of optical nanoresonators. We compare the theoretical predictions with numerical data obtained with the FDTD method, which is commonly used to analyze experiments in the field. The comparison reveals that the present formalism (i) provides deeper physical insight onto the temporal response and (ii) is much more computationally efficient. Since its numerical implementation is easy, the formalism, albeit approximate, can be advantageously used to both analyze and design ultrafast nano-optics experiments