Thèse Capteur Photonique à Base de Métasurfaces pour la Biodétection H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : INSA Lyon École doctorale : EEA - Electronique, Electrotechnique, Automatique de Lyon Laboratoire de recherche : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon Direction de la thèse : Lotfi BERGUIGA ORCID 0000000257106661 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-08T23:59:59 Les attentes de cette thèse sont de proposer et de fabriquer des transducteurs sensibles en explorant de nouveaux concepts en nanophotoniques. Nous espérons ainsi démontrer des capteurs photoniques dont la limite de détection dépasse les limites actuelles. Le (la) doctorant(e) sera chargé(e) de concevoir, de fabriquer et de tester un transducteur photonique sensible par une méthode d'interrogation en phase et en intensité pour des applications en bio-détection. Il s'agira d'explorer par du design photonique et des simulations numériques les métasurfaces les plus sensibles possibles. Deux pistes seront explorées. Premièrement, des structures photoniques possédant des facteurs de qualité élevés tel que les structures BIC (Bound states in the continuum) ou quasi-BIC. La robustesse de la mesure capteur va aussi être explorée en privilégiant des structures moins sensibles à l'angle d'excitation : les structures photoniques dites « à bandes plates » seront de bons candidats. La seconde piste consiste à exploiter des modes optiques qui présentent des singularités de phase d'ordre élevé (charge topologique). Nous souhaitons ainsi vérifier la conjecture de l'augmentation de la sensibilité en phase avec la charge topologique. Nous vérifierons numériquement cette idée originale afin d'abaisser la limite de détection. L'étude de l'effet de la phase sur les propriétés de capteur des métasurfaces notamment à partir de modèles théoriques développés au Laboratoire [2,3,4] sera privilégiée. Cette approche est assez récente dans le domaine de la nanophotonique.
Suivant l'issue de ces simulations numériques, l'une des pistes sera choisie et le (la) doctorant(e) sera amené(e) à fabriquer ces structures photoniques par les techniques de micro et nano-fabrication en salle blanche.
A la suite de la fabrication, la fonction capteur sera mesurée à partir de solutions tests dont l'indice de réfraction est contrôlé. Pour cela la réponse optique des métasurfaces sera caractérisée. La variation de la réflectivité en phase et en intensité en fonction de la variation de l'indice de réfraction de la solution sera étudiée. La sensibilité du capteur sera ainsi vérifiée ainsi que la limite de détection atteinte. Une nouvelle représentation de la mesure capteur sera aussi explorée (représentation en complexe du signal) avec comme objectif d'augmenter la dynamique de la mesure en phase.
Les capteurs photoniques constituent un domaine actif de la recherche scientifique pour répondre à la demande dans les domaines tels que la santé, la sécurité, l'environnement et l'alimentation. Dans le domaine de la santé, le diagnostic précoce reste un enjeu critique dans un grand nombre de maladies tel que le cancer, les maladies infectieuses, les maladies cardiovasculaires ou les maladies auto-immunes. Développer des capteurs photoniques sensibles permettant de détecter des molécules avec un faible poids moléculaire et/ou présentes en faible concentration reste donc un défi technique et scientifique mais dont l'enjeu est pleinement identifié. En nanophotonique, des métasurfaces résonantes ont été étudiées et développées pour leur capacité à amplifier localement la lumière et ainsi améliorer la détection de biomolécules à leur surface. L'exploration des concepts de la nanophotoniques apporte un nouveau champ d'étude et d'application dans le domaine des capteurs. Il s'agit d'une des activités de l'équipe i-Lum au Laboratoire INL. Nous avons aussi développé une approche assez originale de la mesure capteur par interrogation en phase toujours dans le but d'abaisser les limites de détection en comparaison des techniques de mesure optique classique [1,2]. Dans cette thèse, nous nous proposons d'explorer ces nouveaux concepts photoniques afin de développer un capteur dédié à la biodétection de molécules en faible concentration ou de petites tailles. Exploration de concepts photoniques pour la fabrication en salle blanche de capteurs photoniques aux sensibilités extrêmes avec comme objectif la détection de petites molécules en faible concentration pour des applications de diagnostique pour la santé.

Le/la candidat/e doit avoir des bases solides en nanophotonique et/ou en optique. Le (la) candidat(e) sera intéressé(e) par la nanophotonique et les nanotechnologies avec un goût pour les simulations numériques, le travail expérimental et technologique.