Propriétés plasmoniques de nano-structures fractales d'argent.

Plasmonic properties of Silver fractal nanostructures

• Auteur / Autrice : Jack Brennan
• Direction : Alain Sarfati
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Inscription en doctorat le 31/10/2017
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec University Glasgow
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Aimé Cotton
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Nanoparticules, nanostructures, nanomatériaux
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Université Paris-Sud (1970-2019)

Mots clés

Mots clés libres

Plasmons

Microscopie électronique

Agrégats

Eels

Plasmon

Clusters

Eels

Electronic microscopy

Résumé

Le but de ce projet est d'explorer le potentiel de fabrication bottom-up de matériaux nanostructurés pour la production de nanostructures plasmoniques valorisable dans un contexte industriel. Plutôt que d'utiliser des motifs lithographiques « top-down » classiques pour définir la géométrie des éléments plasmoniques, ce projet explorera l'auto-assemblage de nanoparticules pour produire des structures complexes, voire fractales, de manière rentable. Le projet comportera des aspects de synthèse, de modélisation et de caractérisation et sera mené en étroite collaboration entre le groupe Nano3 (Laboratoire Aimé Cotton) et le groupe ‘Materials and condensed matter physics' de l'université de Glasgow. La synthèse et le dépôt d'assemblages de nanoparticules d'argent seront réalisés de manière indépendante à Orsay. L'équipe Nano3 a déjà développé des protocoles pour la formation de nanoparticules d'Ag en phase vapeur de taille et de géométrie bien définies. Ceux-ci sont ensuite déposés à faible énergie sur des substrats de graphite et/ou de graphène, pour former des nanostructures complexes auto-assemblées dont la taille et la forme peuvent être contrôlées. En adaptant les conditions de dépôt et la nature du substrat, il est possible de produire des assemblages fractionnaires dendritiques de manière contrôlée. L'objectif principal du projet sera la caractérisation physique des assemblages de nanoparticules, principalement par la microscopie électronique à transmission (MET) et la spectroscopie de perte d'énergie électronique (EELS), qui sera réalisée à Glasgow. On connaît peu la nature des résonances plasmoniques dans de tels assemblages, ce qui offre un intérêt tout particulier à cette étude. On s’attend, par exemple, à ce que des propriétés de diffusion des rayonnements incidents par les structures fractales permettent d'améliorer le transfert d'énergie et d'améliorer l'efficacité des dispositifs. Le projet sera étendu à l'utilisation de substrats à motifs pour fournir des sites de nucléation discrets et bien définis pour l'agrégation de nanoparticules dans des réseaux périodiques en utilisant les capacités lithographiques et de modélisation des universités de Queen's et de Glasgow. Une autre piste de recherche sera de surveiller les réponses plasmoniques au regard de la stabilité thermique. Nous prévoyons également l’utilisation de l'installation nationale de microscopie électronique du Royaume-Uni, SuperSTEM, pour mener des études EELS monochromes, qui devraient être précurseurs. Toutes ces études seront interprétées en modélisant la réponse plasmonique de nanoparticules couplées prototypiques en utilisant une variété d'outils théoriques. Le projet est bien adapté à un étudiant avec un fort intérêt pour la physique et la chimie et une expérience préalable dans la synthèse et de la caractérisation de nanoparticules.

The aim of this project is to explore the potential of ‘bottom-up’ patterning of nanostructured materials for the production of industrially-relevant plasmonic nanostructures. Rather than using conventional ‘top-down’ lithographic patterning to define the geometry of plasmonic elements, this project will explore the self-assembly of nanoparticles to produce complex, even fractal, structures in a cost-efficient manner. The project will involve aspects of synthesis, modelling and characterisation and will be operated in close collaboration between Nano3 group at Laboratoire Aimé Cotton and ‘Materials and condensed matter physics group' of Glasgow university. Synthesis and deposition of silver nanoparticle assemblies will be conducted independently in Orsay. Nano3 team has previously developed protocols for the formation of vapour-phase Ag nanoparticles with well-defined size and geometries. These are then deposited onto graphitic and graphene substrates at low energy, and left to diffuse and aggregate under dispersion forces to form self-assembled complex nanostructures, whose size and form can be controlled. By tailoring the deposition conditions and nature of the substrate, it is possible to produce dendritic, fractal assemblies in a controlled manner. The main focus of the project will be physical characterisation of the nanoparticle assemblies, principally by transmission electron microscopy (TEM) and electron energy loss spectroscopy (EELS), which will be conducted in Glasgow. What is interesting is that little is known of the nature of plasmonic resonances in the as-deposited assemblies. For example, although the coupling of one and two nanoparticles has been described, coupling of the plasmonic resonances of a complex assembly is less understood. There are, however, good prospects for the strong scattering of incident radiation from fractal structures to enhance energy transfer and lead to improved device efficiency. The project will be extended to consider the use of patterned substrates to provide discrete, well-defined nucleation sites for nanoparticle aggregation in periodic arrays, using the substantial lithographic and patterning capabilities at both Queen’s and Glasgow Universities. A further avenue of research will be to monitor plasmonic responses while as-deposited nanoparticles are heated and fuse together. There are also prospects to engage with the UK’s national electron microscopy facility, SuperSTEM, to conduct monochromated EELS studies, which are anticipated to be world-leading. All of these studies will be informed by modelling the plasmonic response of prototypical coupled nanoparticles using a variety of theoretical tools. The project is suited to a student with a strong interest in chemical physics and some previous experience of nanoparticle synthesis and characterisation.