Imagerie et spectroscopie à l’échelle nanométrique de couches de nanoparticules métalliques avec un microscope à force atomique

Imaging and local spectroscopy of metal nanoparticles layers with an atomic force microscope

• Auteur / Autrice : Marion Hurier
• Direction : Mircea-Vasile Rastei
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 23/09/2021
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique et chimie des matériaux (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Pluchery
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Rubin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Pluchery, Philippe Leclère

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métamatériaux

Microscopie à force atomique

Propriétés optiques

Nanoparticules d'or

Mots clés libres

Microscope à force atomique

Nanoparticules

Réseaux de NPs

PiFM

Forces photoinduites

Absorption à l’échelle nanométrique

Imagerie en phase

Interactions plasmoniques

EFM

KPFM

Atomic force microscope

Nanoparticles

NPs arrays

PiFM

Photoinduced forces

Nanoscale absorption

Phase imagery

Plasmonic interactions

EFM

KPFM

Résumé

Le travail de cette thèse porte sur le développement d'une technique de spectroscopie optoélectronique opérée à l'aide d'un microscope à force atomique (AFM). Le but était d'obtenir des spectres d'absorption à l'échelle nanométrique et d'outrepasser les limites de diffraction imposées par la lumière dans le domaine du visible. Ce travail s'est centré sur l'étude de réseaux de nanoparticules déposés en couches minces. Les NPs organisées en réseaux sont étudiées notamment pour réaliser des métamatériaux photoniques, pour lesquels il est nécessaire d'avoir une organisation spatiale. Ces propriétés intéressantes font que leur caractérisation structurelle et optique à une échelle nanométrique est devenu un enjeu majeur. Ces réseaux sont possibles notamment grâce à la fonctionnalisation des NPs avec des molécules organiques. Le choix des ligands va permettre le contrôle par voie chimique de la géométrie du réseau. Avec l'AFM, une approche particulière a été mise en place pour imager spatialement les NPs en exploitant la phase d'oscillation de la pointe. Ceci permet de révéler l'organisation de NPs enterrées dans plusieurs nm de ligands organiques résiduels, présents après déposition des NPs sur des substrats diélectriques. Pour les caractérisations optiques des réseaux, le microscope a été combiné avec un système optique d'excitation composé d'un laser accordable dans le domaine du visible. L'absorption de la lumière au niveau de la jonction pointe-échantillon a permis d'obtenir des images de forces photoinduites (PiFM). Le laser étant accordable en longueur d'onde, cette technique permet par la même occasion d'effectuer des spectres PiFM dans le domaine du visible. Des détails structuraux ont pu alors être observés suivant les longueurs d'ondes appliquées, traduisant la nature spectrale des images mesurées. Ces détails se sont révélés à plusieurs reprises être plus résolus que ce que permettait de distinguer la topographie. Ces résultats apportent une dimension supplémentaire à la microscopie AFM en ouvrant la porte à des études optiques nécessitant une haute résolution spatiale et spectrale dans le domaine du visible.

The work presented in this thesis consisted in the development of an optoelectronic spectroscopy technique operating in an atomic force microscope (AFM). The aim was to obtain nanoscale absorption spectra and overcome the diffraction limit imposed by the use of visible light. The work focused on the study of nanoparticles arrays deposited on dielectric substrates as thin films. The organized NPs represent interesting building blocks to create photonic metamaterials where a spatial organisation is necessary. Their interesting properties rely on their structural organisation at nanoscale. The organization of the NPs in arrays is possible by functionalizing the NPs with organic molecules. The choice of the organic ligands allows the control of the geometry of the arrays. Using an AFM, a particular approach has been developed to image the NPs by using the oscillation phase of the scanning tip. The approach allows to reveal the organisation of NPs buried in few nm of residual organic ligands which may cover the NPs. In order to perform the optical spectroscopy, the microscope has been coupled with an optical excitation system composed of a tunable laser in the visible domain. The light absorption at the tip-surface junction allows to obtain photoinduced forces images (PiFM). Changing the wavelength of the laser allows obtaining PiFM spectra in the visible range. Several structural details can be observed, revealing the spectral nature of images. These details have been often found more resolved than in the topographic images. The results open a supplementary dimension to atomic force microscopy and optical characterisations, as required for a high spatial resolution imaging and spectroscopy in the visible spectral range.