Nano-Optique dans un Microscope à Effet Tunnel : Applications à la Plasmonique et à l’Excitonique

Abstract

The scanning tunneling microscope (STM) is not only a surface science tool capable of producing atomically resolved images of crystal surfaces; it is also an extraordinary tool for nano-optics. Indeed, the inelastic tunneling current between the STM tip and the sample surface leads to an extremely local excitation of the existing optical modes. Thus, the tip-sample junction may behave as a nanosource of photons, surface plasmon polaritons, or excitons, depending on the nature of the sample. In this dissertation, I introduce some of the unique studies, in particular in plasmonics and excitonics, that this tool may be applied to when STM and optical microscopy are combined in the same instrument. Examples from my research involve the investigation of the eigenmodes of individual plasmonic nanoparticles, the response of plasmonic micro-optical components, the energy-momentum dispersion of polaritons in metasurfaces, and the excitonic properties of two-dimensional semiconductors. Future research directions include a recent collaborative work on single-molecule luminescence spectroscopy in a low-temperature STM under ultrahigh vacuum.Le microscope à effet tunnel (STM) n’est pas seulement un outil de sciences des surfaces capable de produire des images résolues à l’échelle atomique de surfaces cristallines; c’est aussi un outil extraordinaire pour la nano-optique. En effet, le courant tunnel inélastique entre la pointe du STM et la surface de l’échantillon conduit à une excitation extrêmement locale des modes optiques existants. Ainsi, la jonction pointe-échantillon peut se comporter comme une nanosource de photons, de polaritons de plasmon de surface ou d’excitons, selon la nature de l’échantillon. Dans cette thèse, j’introduis quelques-unes des études uniques, en particulier en plasmonique et excitonique, auxquelles cet outil peut être appliqué lorsque le STM et la microscopie optique sont combinés dans le même instrument. Des exemples de mes recherches impliquent l’étude des modes propres de nanoparticules plasmoniques individuelles, la réponse des composants micro-optiques plasmoniques, la dispersion énergie-vecteur d’onde des polaritons dans des métasurfaces et les propriétés excitoniques des semi-conducteurs bidimensionnels. Les futures directions de recherche incluent un travail collaboratif récent sur la spectroscopie de luminescence de molécule unique dans un STM basse température sous ultra-vide