Propriétés optiques non linéaires de molécules et de nanoparticules métalliques pour la photonique

Nonlinear optical properties of molecules and metallic nanoparticles for photonics

• Auteur / Autrice : Hoang Minh Ngo
• Direction : Isabelle Ledoux-Rak, Ngoc Diep Lai
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/11/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Photonique Quantique et moléculaire (Cachan, Val de Marne) Cachan
• Jury : Président / Présidente : Agnès Maître
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Ledoux-Rak, Agnès Maître, Éric Freysz, Katarzyna Matczyszyn, Joseph Zyss, Hynd Remita
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Éric Freysz, Katarzyna Matczyszyn

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoparticules

Photonique

Optique non linéaire

Mots clés libres

Optique non linéaire

Nanoparticule

Génération de second harmonique

Nonlinear optics

Nanoparticle

Second harmonic generation

Résumé

L’optique non linéaire est un outil très puissant pour l’étude des propriétés photoniques de molécules, de matériaux et de nanostructures. La taille et la forme des nanoparticules de métaux nobles (NMNPs) influencent fortement leurs propriétés optiques non linéaires du second ordre. Dans cette thèse, nous proposons une étude systématique de l'influence de la surface de nanoparticules sur leurs valeurs de première hyperpolarisabilité bêta. Des nanoparticules en poudre d’argent (de diamètres 7 nm) ainsi que des solutions colloïdales sur NMNPs -avec différentes compositions, tailles et formes -ont été synthétisés : des nanosphères d'argent (de diamètres 10 nm), des nanosphères d’or (de diamètres 3,0; 11,6; 15,8; 17,4; 20,0 et 43,0 nm), des nanobâtonnets d’or (de rapports d'aspect 1,47; 1,63 et 2,30), des nanobâtonnets d’argent (de rapports d'aspect 5,0; 6,3; 7,5; 8,2 et 9,7), des nanofleurs de platine (de diamètres 7,0; 8,0; 10,0; 14,0; 20,0 et 31,0 nm) ainsi que des nanoprismes d'or (d’une longueur de côtés de 47,5 à 112,3 nm). La diffusion harmonique de la lumière (HLS) à 1064 nm est utilisée pour étudier la génération du second harmonique des NMNPs colloïdaux, et d'en déduire leurs valeurs de première hyperpolarisabilité bêta. Pour les nanosphères et les nanorods étudiés dans ce travail, nous démontrons que leurs valeurs de bêta présentent une forte dépendance avec leur surface, qui est le paramètre dominant dans l'évolution des valeurs de bêta. Par ailleurs, la rugosité de la surface des particules ainsi que la forme des irrégularités des nanofleurs sont responsables de valeurs exceptionnellement élevées de bêta. En outre, nous démontrons expérimentalement, pour la première fois dans la littérature, que les valeurs de bêta des nanoprismes présentent non seulement une dépendance linéaire par rapport à la surface, mais sont également sensibles aux courbures des sommets du triangle.

Nonlinear optics is well known to be a highly powerful tool to investigate the photonic properties of molecules, materials and nanostructures. Size and shape of noble metal nanoparticles (NMNPs) strongly influence their second-order nonlinear optical properties. In this PhD thesis, we propose a systematic investigation of the influence of the nanoparticle surface area on their first hyperpolarizability beta values. Powdery-silver nanoparticles (diameters 7 nm) and colloidal solutions on NMNPs with different composition, sizes and shapes have been synthesized, i.e. silver nanospheres (diameters 10 nm), gold nanospheres (diameters 3.0; 11.6; 15.8; 17.4; 20.0 and 43 nm), gold nanorods (aspect ratios 1.47; 1.63 and 2.30), silver nanorods (aspect ratios 5.0; 6.3; 7.5; 8.2 and 9.7), platinum nanoflowers (diameters 7.0; 8.0; 10.0; 14.0; 20.0 and 31.0 nm) and gold nanoprisms (edge length tuned from 47.5 to 112.3 nm). Harmonic light scattering (HLS) at 1064 nm is used to investigate the second harmonic generation from colloidal NMNPs, and to infer their first hyperpolarizability tensor beta. For the nanospheres and nanorods investigated in this work, we demonstrate that their beta values display a strong dependence with their surface area, which is the dominant parameter in the evolution of beta values. Otherwise, particle surface corrugation and shape irregularities of nanoflowers are responsible for exceptionally high beta values. Moreover, we report for the first time in the literature that the beta values of nanoprisms display not only a linear dependence with respect to the surface area, but are also sensitive to the sharpness of the triangle vertices.