Transport électronique et plasmo-électronique dans des assemblées de nanoparticules auto-organisées : étude expérimentale et modélisation multi-échelle
Auteur / Autrice : | Louis Merle |
Direction : | Jérémie Grisolia, Adnane Mlayah |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Photonique et Systèmes Optoélectroniques |
Date : | Soutenance le 15/12/2022 |
Etablissement(s) : | Toulouse, INSA |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : LPCNO-IRSAMC - Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-Objets - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes / LAAS |
Jury : | Président / Présidente : Séverine Le Roy |
Examinateurs / Examinatrices : Thomas Maurer, Anthony N. Papathanassiou | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Large, Jean-François Dayen |
Mots clés
Résumé
Les nano-matériaux hybrides composés de nanoparticules métalliques auto-organisées et séparées de polymères possèdent des propriétés optiques et électriques intéressantes. Dans ces matériaux, le couplage entre transport électronique et résonances plasmoniques est à la base de la plasmo-électronique.Dans ce travail de thèse, j’ai étudié le transport électronique en régime dynamique de deux matériaux composites polymère/nanoparticules (NPs) : PBLG-PtNPs et C12-AuNPs. Des mesures de spectroscopie d’impédance me permettent de déterminer les modèles électriques équivalents (RC parallèle) permettant de rendre compte des mesures électriques macroscopiques. Ces mesures m’ont permis de mettre en évidence l'impact de l'organisation spatiale sur la conductivité, et d’extraire les temps de relaxation diélectrique caractéristiques des systèmes étudiés.Les mesures de spectroscopie d'impédance sur le PBLG-PtNPs sous excitation optique ont fait émerger deux types de réponses : une photo-conductance positive provenant de l’or, une photo-conductance négative venant du polymère. Ces deux contributions à la photo-conductance sont intégrés dans le circuit équivalent.Un objectif important de mon travail de thèse est de faire le lien entre les caractéristiques électriques des assemblées de nanoparticules à l’échelle macroscopique et les propriétés de transfert et de transport de charges à l’échelle nanoscopique. Ces propriétés : transport tunnel et rétention de charge nous ont permis de construire un modèle électrique équivalent pour chaque jonction inter-particules. Les caractéristiques électriques de ces assemblées de nanoparticules sont obtenues par résolution numérique des lois de Kirchhoff à partir des paramètres électriques des jonctions inter-particules.Les résultats des simulations numériques ont été comparés avec les résultats issus de modèles analytiques proposés dans la littérature. Au centre des modèles analytiques se trouve la notion de chemin de percolation pour le transport de charges et leurs caractéristiques aussi bien en termes de comportement en fréquence, en longueur ainsi qu’en terme de leur distribution statistique.La dernière partie de ma thèse porte sur l’implémentation dans les simulations numériques des phénomènes de transport, de l'interaction lumière/matière et de la résonance plasmonique des nanoparticules d’or. J’ai mis en œuvre, une résolution numérique des équations de Maxwell qui m’a permis de déterminer le champ électrique local dans le réseau de nanoparticules soumis à une excitation optique. Grâce à cette approche j’ai pu introduire une photo-conductance locale qui complète le circuit électrique équivalent d'une nano-jonction, désormais de nature plasmo-électronique.La résolution numérique des lois de Kirchoff à partir de nano-jonctions permet de décrire à l’échelle macroscopique les propriétés de transport et leurs caractéristiques électriques observées expérimentalement. J’ai étudié l’influence de la distance inter-particules, la longueur d’onde et l’intensité de l’excitation optique, la température. Les simulations ont été comparées avec les mesures de spectroscopie d’impédance macroscopique et montre la même dépendance avec la température et l’excitation optique. Cela nous permet d’extraire les paramètres plasmo-électroniques tel que le facteur de conversion électron-photon lié au plasmon.Les systèmes hybrides présentent des propriétés optiques et électriques uniques. Les propriétés globales de ces systèmes ont été extraits par spectroscopie d’impédance mais ces derniers émergent des interactions nanoscopiques entre nanoparticules. Les méthodes de simulation numérique mises au point durant cette thèse ont permis de construire un pont entre le monde macroscopique de l’expérience et le monde nanoscopique exploré par simulation. Cette approche multi-échelle est très prometteuse pour l’étude des futurs dispositifs hybrides opto-électronique.