Design et fabrication de meta-atomes plasmoniques à partir de nanoparticules à patchs

Design and synthesis of plasmonic meta-atoms from patchy particles

• Auteur / Autrice : Cyril Chomette
• Direction : Étienne Duguet, Mona Tréguer-Delapierre, Vinothan N. Manoharan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 13/11/2015
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac)
• Jury : Président / Présidente : Aline Rougier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Spalla, Luis M. Liz-Marzan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maud Save, Erik Dujardin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie

Microscopie

Clusters (chimie)

Or colloïdal

Silice

Métamatériaux

Nanoparticules

Mots clés libres

Particules à patchs

Résonance plasmon

Nanoclusters

Fossettes

Or

Métamatériaux

Méta-atomes

Auto-assemblage

Croissance-ensemencée

Silice

Nanoparticules

Spectroscopie en champ-sombre

Patchy particles

Plasmon resonance

Nanoclusters

Dimples

Gold

Metamaterials

Meta-atoms

Self-assembly

Seeded-growth

Silica

Nanoparticles

Dark-field spectroscopy

Résumé

Les méta-matériaux sont une nouvelle classe de matériaux composites artificiels quiprésentent des propriétés inédites. Ils sont typiquement sous divisés en unité appelées méta-atomes.Un design approprié de ces méta-atomes, architecturés à l’échelle nanométrique, permet d’induire despropriétés aussi extraordinaires qu’un indice de réfraction négatif. Dans ce contexte, nous avonsdéveloppé des particules à patchs, capable de développer des interactions selon des directionsprédéterminées. Des clusters multipodiques fait de ces particules (diélectrique) entourées d’un nombrecontrôlé de satellites plasmoniques (or) ont été développés. Nous nous sommes focalisés sur desclusters isotropes, dérivant de géométries tétraédriques, octaédriques et icosaédriques (trois des cinqsolides de Platon). Pour cela, nous avons utilisé des clusters silice/polystyrène, obtenus parpolymérisation ensemencée en émulsion, qui ont servi de préformes. Ils ont ainsi permis d’obtenir desparticules dont les patchs sont en fait des fossettes au fond desquelles subsiste un résidu de chaînespolystyrène greffées. En modifiant chimiquement ces chaînes, nous avons permis soit l’accrochage aufond de ces fossettes de colloïdes d’or puis leur croissance, soit l’accostage de satellites de silice surlesquels nous avons ensuite fait croître une coquille d’or. La seconde voie à offert un meilleur contrôlede la morphologie des clusters et notamment de la distance entre les satellites d’or (quelquesnanomètres) qui est primordiale pour assurer un couplage plasmonique optimal. Les propriétés desclusters obtenus ont été modélisées et mesurées.

Metamaterials are a novel class of artificial composite materials, typically made of subunit called meta-atoms and exhibiting unusual properties. Such meta-atoms, have to be architecturedat the nanometric level, to induce as extraordinary properties as a negative refractive index. In thiscontext, we developed patchy particles, capable to create interactions along predetermined directions.Multipodic clusters made of those (dielectric) particles surrounded by a controlled number ofplasmonic satellites (gold) were developed. We focused on isotropic clusters deriving fromtetrahedral, octahedral and icosahedral geometry (three of the fifth Platonic solids). For that purpose,we used silica/polystyrene clusters, obtained from seeded emulsion polymerization, as template. Byderiving those clusters, patchy particles bearing dimples containing grafted residual polystyrene chainswere obtained. By chemically deriving those chains, we explored two synthetic pathways, thedecoration of the dimples with gold colloids subsequently grown or the anchoring of silica satellitesonto which gold shells were subsequently grown. The second one was prove to offer a better controlover the cluster morphology as well as the inter-satellites gap (few nanometer) which is pivotal toensure an optimal plasmonic coupling. Then, the optical properties of the as obtained clusters weresimulated and measured.