Soutenance de thèse de Clément REYNAUD

Depuis les travaux d’Einstein et de De Broglie au début du XXème siècle, il est admis que la lumière peut être décrite à la fois comme une onde ou comme un ensemble de particules appelées photons. La production d’énergie solaire et la détection de la lumière reposent aujourd’hui sur l’effet photovoltaïque qui exploite la description corpusculaire. Pour explorer une autre voie de transformation de lumière en électricité, le concept d’antenne rectifiante exploite cette fois la nature ondulatoire de la lumière. En tant qu’onde électromagnétique, la lumière peut être absorbée par une antenne à l’instar d’une onde radio. Les premiers arguments théoriques sur ce principe remontent à la fin des années soixante, mais ce n’est que depuis une dizaine d’années que les tentatives de réalisation expérimentale d’antennes rectifiantes pour les fréquences du visible et du proche infrarouge voient le jour grâce aux progrès des méthodes de nanofabrication. L’objet de cette thèse est de proposer une conception innovante de nanoantennes rectifiantes qui réponde aux deux verrous technologiques principaux que sont la fabrication d’antennes à l’échelle nanométrique et la rectification du courant alternatif térahertz qui s’y établit lorsque la lumière y est absorbée. Cette proposition est accompagnée d’une étude théorique optique dont l’objectif est de fournir une compréhension fine de l’interaction lumière-matière dans les structures étudiées. La fabrication et la caractérisation de nanoantennes à partir de nanoparticules en solution colloïdales est ensuite détaillée et comparée aux modèles théoriques. Enfin, l’étude d’une diode moléculaire synthétisée sur mesure présente une solution pour combiner des propriétés mécaniques de greffage de nanoparticules et des propriétés électroniques de rectification à haute fréquence. L’approche multidisciplinaire de ce travail qui combine nanophotonique et électronique moléculaire ouvre une nouvelle perspective pour la réalisation d’un dispositif de conversion de lumière en électricité fondamentalement innovant.

Since Einstein's and De Broglie's works in the early XXth century, the double nature of light being a set of particles as well as a wave is admitted in the scientific community. Today, both solar energy production and light detection are based on the photovoltaic effect which relies on the corpuscular description of light. To investigate a new way to produce electricity out of light, the concept of rectifying antenna is derived from the wave description. As an electromagnetic wave, light can be haversted by an antenna just like a radiowave. Although the first theoretical descriptions of this phenomena go back to the late sixties, it has just been a decade since a few experimental demonstrations of rectifying antennas designed for visible and infrared light have been published. This is explained by the recent progresses of the nanofabrication processes. This thesis aim to propose an innovative design of rectifiying nanoantennas able to address the two main challenges which are: the fabrication of reproducible nanoantennas at the nanoscale; and the rectification of the alternative current which arises when light is absorbed in the nanoantennas. This proposal comes with a theoretical study to give insight into the light-matter interaction in the studied design. Fabrication and characterisation of nanoantennas from colloïdal nanoparticles is then presented and compared with modeling results. Finaly, a custom molecular diode is studied to combine properties of nanoparticles grafting and electronic rectification at terahertz frequencies. The multidisciplinarity of this work which combines nanophotonics and molecular electronics paves a new way to the fabrication of an innovative device able to convert light into electricity.