Propriétés optiques de nano-objets : de l’étude de nanoparticules métalliques et diélectriques à celle de systèmes moléculaires auto-assemblés

Optical properties of nano-objects : from metallic and dielectric nanoparticles to self-assembled molecular systems

• Auteur / Autrice : William Djampa Tapi
• Direction : Céline Fiorini-Debuisschert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie de la matière et des matériaux
• Date : Soutenance le 29/09/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Robert Pansu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Gindre, Pierre-Michel Adam, Chantal Andraud, Sylvie Marguet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Denis Gindre, Pierre-Michel Adam

Mots clés

Mots clés contrôlés

Monocouches moléculaires autoassemblées

Spectroscopie de luminescence

Sources de lumière

Marqueurs biologiques

Résonance plasmonique de surface

Mots clés libres

Plasmonique

Auto-assemblage moléculaire

Luminescence

Nano-objets

Génération de seconde harmonique (SHG)

Plasmonics

Molecular self-assembly

Luminescence

Nano-objects

Second harmonic generation (SHG)

Résumé

Les propriétés optiques de trois types de nano-objets ont été explorées à l’échelle de l’objet unique, en combinant mesures optiques et topographiques. Leurs trois processus de génération de la lumière ont été étudiés : luminescence plasmonique, génération de seconde harmonique (SHG), fluorescence. En 1er point, nous avons entrepris l’étude la luminescence de nanosphères d’or monocristallines afin d’essayer de comprendre la dynamique de relaxation du plasmon excité. Plus précisément, nous nous sommes intéressés à la corrélation entre l’intensité de luminescence et la section efficace d’absorption de nanosphères uniques de tailles variables. Pour cela, nous avons entrepris des études visant l’obtention et l’interprétation de leurs spectres d’excitation de luminescence. Le 2e axe a été centré sur la SHG de particules diélectriques. Nous avons montré que des nanocristaux de BaTiO₃ présentaient des signaux SHG relativement élevés, la diffusion de Mie influençant le signal émis. Nous avons pu mettre en évidence que l’émission SHG de ces cristaux pouvaient directement être corrélée à leur géométrie. Leurs propriétés d’anisotropie SHG rendent ces objets intéressants en tant que marqueurs biologiques permettant de suivre à la fois les translations et les rotations des endosomes qui interviennent dans le transport intracellulaire, problématique intéressante dans l’étude des maladies neurodégénératives. Un 3e point a été l’étude de la fluorescence de monocouches moléculaires auto-assemblées sur du graphène. Il s’agissait d’un système comprenant un piédestal et une entité fluorescente reliés par une liaison de coordination et dont la géométrie et la configuration ont été conçues pour permettre d’éviter les transferts d’énergie de Dexter et Förster entraînant un quenching de fluorescence lorsque ces molécules s’adsorbent sur substrats métalliques. Des études de micro-absorption, spectroscopie de fluorescence et de durée de vie de l’état excité ont eu pour but de caractériser la réaction de complexation et l’auto-assemblage moléculaire.

The optical properties of three types of nano-objects have been explored and investigated at the single-object level. By correlating optical and size measurements, their three light generation processes have been extensively studied: plasmon luminescence, second harmonic generation (SHG), fluorescence. A first point has consisted in the study of the luminescence of monocrystalline gold nanospheres in order to try to understand the relaxation dynamics of excited plasmon. More precisely, our interest has been focused on the correlation between the luminescence intensity and the absorption cross section of single nanospheres of varying sizes. To this purpose, studies have been undertaken to obtain and interpret their luminescence excitation spectra. A second point has focused on the SHG of dielectric particles. It has been shown that BaTiO₃ nanocrystals exhibit relatively high SHG signals, the Mie scattering influencing the emitted signal. In addition, the SHG emission of these crystals can be directly correlated to their geometry. Their SHG anisotropy properties make these objects interesting as biomarkers to monitor and follow both the translations and rotations movements of endosomes involved in intracellular transport, an interesting issue in the study of neurodegenerative diseases. A last research topic has been the study of the fluorescence of self-assembled molecular monolayers on graphene. The system that we have considered consisted of a pedestal and a fluorescent entity bound together by a coordination bond, and this geometry and configuration have been designed to avoid Dexter and Förster energy transfers leading to fluorescence quenching when these molecules adsorb on metallic substrates. Micro-absorption, fluorescence spectroscopy and excited state lifetime studies have been performed to characterize the complexation reaction and molecular self-assembly.