Characterization of nanoparticle aggregates with light scattering techniques

• Auteur / Autrice : Mariusz Wozniak
• Direction : Fabrice Onofri, Janusz Mroczka
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et Nanoélectronique
• Date : Soutenance le 19/10/2012
• Etablissement(s) : Aix-Marseille en cotutelle avec Politechnika Wrocławska
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences pour l'ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Janusz M. Smulko
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Onofri, Janusz Mroczka, Janusz M. Smulko, Gérard Gréhan, Brian Stout, Loïc Méès
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Janusz M. Smulko, Gérard Gréhan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie électronique

Lumière -- Diffusion

Simulation par ordinateur

Nanoparticules

Mots clés libres

Nanoparticules

Agrégats fractals

Agrégats compacts auto-organisés

Diffusion de la lumière

Spectrométrie d’extinction

Problème inverse

Microscopie électronique

Aérosols

Suspensions colloïdales

Plasmas poussiéreux

Nanoparticles

Fractal aggregates

Buckyballs

Light scattering

Light extinction spectrometry

Inverse problem

Electron microscopy

Aerosols

Colloidal suspensions

Dusty plasma

Résumé

Ce travail de thèse de doctorat propose et évalue différentes solutions pour caractériser, avec des outils optiques et électromagnétiques non intrusifs, les nanoparticules et agrégats observés dans différents systèmes physiques : suspensions colloïdales, aérosols et plasma poussiéreux. Deux types de modèles sont utilisés pour décrire la morphologie d'agrégats fractals (p. ex. : suies issues de la combustion) et agrégats compacts (qualifiés de « Buckyballs » et observés dans des aérosols produits par séchage de nano suspensions). Nous utilisons différentes théories et modèles électromagnétiques (T-Matrice et approximations du type dipôles discrets) pour calculer les diagrammes de diffusion (ou facteur de structure optique) de ces agrégats, de même que leurs spectres d'extinction sur une large gamme spectrale. Ceci, dans le but d'inverser différentes données expérimentales. Différents outils numériques originaux ont également été mis au point pour parvenir à une analyse morphologique quantitative de clichés obtenus par microscopie électronique. La validation expérimentale des outils théoriques et numériques développés au cours de ce travail est focalisée sur la spectrométrie d'extinction appliquée à des nano agrégats de silice, tungstène et silicium.

This Ph.D. work provides and evaluates various solutions to characterize, with optical/electromagnetic methods nanoparticles and aggregates of nanoparticles found in suspensions, aerosols and dusty plasmas. Two main models are introduced to describe the morphology of particle aggregates with fractal-like (for particles in plasmas and combustion systems) and Buckyballs-like (aerosols, suspensions) shapes. In addition, the author proposes various solutions and methods (T-Matrix, Rayleigh type approximations) to calculate the scattering diagrams (optical structure factors) of fractal aggregates as well as algorithms to inverse extinction spectra. As a reference case for the performed analysis, several tools to describe the morphology of fractal aggregates from electron microscopy images have been also developed. The experimental validation carried out with the Light Extinction Spectrometry (LES) technique (for nano silica beads, tungsten, dusty plasma and silicon aggregates) clearly proves the validity of the algorithms developed as well as the potential of the LES technique.