Développement de Nanocristaux d’Oxydes Plasmoniques pour Dispositifs en Proche Infrarouge

Development of Plasmonic Oxides Nanocristals for Optical Devices in the Near Infra-red

• Auteur / Autrice : Yannis Cheref
• Direction : Thierry Gacoin, Jongwook Kim
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 22/09/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (Palaiseau)
• Jury : Président / Présidente : Talal Mallah
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Gacoin, Jongwook Kim, Emmanuel Lhuillier, Fabien Grasset, Alexandre Baron, Aikaterini Soulantika
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Lhuillier, Fabien Grasset
• DOI : 10.70675/b5c97967z4423z4077z8c21z7dbcbbe681dd

Mots clés

Mots clés libres

Oxyde

Plasmonique

Infrarouge

Synthèse

Colloïdes

Nanoparticules

Oxide

Plasmonics

Infrared

Synthesis

Colloid

Nanoparticles

Résumé

La Résonance de Plasmon de Surface Localisé (LSPR) est un phénomène chromatique fascinant qui se manifeste au sein d’objets conducteurs de taille nanométrique. De tels nano-objets absorbent des rayonnements électromagnétiques grâce à la résonnance de leur nuage électronique. L’énergie de cette résonance dépend du matériau, mais aussi de sa forme, de sa taille, de son environnement et de sa densité de porteurs de charge. Les propriétés plasmoniques de l’or et de l’argent sont principalement dans la gamme du visible. Elles ont été exploitées pour de nombreuses applications de pointe dans les domaines du biomédical, de la catalyse et de l’analyse chimique. Dans les semiconducteurs, l’énergie de LSPR est généralement dans l’infrarouge moyen ou proche. La majorité des études sur les semiconducteurs plasmoniques utilisent la modulation par le taux de dopage. Pour étendre les possibilité de modulation des propriétés LSPR des semiconducteurs dans l’infrarouge proche, et donc le champ des applications possibles nous avons étudié l’effet de la taille et de la forme de nanocristaux d’oxyde de tungstène dopé par le césium et les lacunes d’oxygène sur leur propriétés LSPR. Pour ce faire, nous avons mis au point de nouveaux protocoles de synthèse colloïdales permettant de produire des suspensions stables de nanobâtonnets de phase hexagonal pure, dans une gamme de taille allant de 5 nm à 80 nm, et avec des rapports d’aspects allant de 0,5 à 6,2. Grâce à ce contrôle synthétique, des particules présentant une absorption intense et sélective dans le proche infrarouge sont produites. Ces propriétés présentent des intérêts pour des applications dans les domaines du filtrage solaire et du biomédical. Nous montrons que, à l’instar de l’or, une très forte modulation des propriétés plasmoniques est possible en contrôlant la forme des particules. Ces mesures sont comparées à des résultats de calculs, et de très bons accords sont obtenus.

Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) is a fascinating phenomenon that appears in nanometric conducting objects. Such nano-objects absorb electromagnetic waves through the resonance of their electron cloud. The energy of this resonance depends not only on the material, but also its shape, its size, its immediate environment, and its charge carrier density. The plasmonic properties of gold and silvers are mostly confined to the visible range. They have been put to use in many applications in domains such as biomedical applications, catalysis, and high-precision chemical-analysis. In semiconductors, LSPR energies are usually in the near or mid infrared. Most studies pertaining to plasmonic semiconductors focus on modulation through dopant density. In order to extend the tuning possibilities of LSPR in the near infrared, and to widen the scope of possible applications, we have studied the effect of size and shape of cesium- and vacancy-doped tungsten oxide nanocrystals on their LSPR properties. In order to do so, we have devised new colloidal synthesis protocols, allowing the productions of stable colloids, of nanorods in pure hexagonal tungstate phase, with sizes ranging from 5nm to 80nm, and aspect rations from 0,5 to 6,2. The synthesized particles exhibit strong absorption in the near infrared, along with excellent selectivity. Such properties are of high interest for biomedical and solar shielding applications. We show that, like in the case of gold nanoparticles, a high degree of LSPR tuning can be achieved through particle shape control. These measurements are compared to calculation results, and excellent agreements are found.