Transport électronique et plasmo-électronique dans des assemblées de nanoparticules auto-organisées : étude expérimentale et modélisation multi-échelle

Electronic and plasmoelectronic transport in self-organized nanoparticle assemblies : experimental study and multiscale modeling

• 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
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Maurer, Anthony N. Papathanassiou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Large, Jean-François Dayen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Jauges de contrainte

Nanoparticules d'or

Résonance plasmonique de surface

Mots clés libres

Transport de charges photo-Induit

Plasmons de surface

Nanoparticules d'or

Capteurs de déformation

Patch wireless

Photo-Induced charge transport

Surface plasmons

Gold nanoparticles

Strain sensors

Patch wireless

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.

Hybrid nanomaterials composed of self-organized metallic nanoparticles separated from polymers possess interesting optical and electrical properties. In these materials, the coupling between electronic transport and plasmonic resonances is the basis of plasmo-electronics.I studied the electronic transport in dynamic regime of two polymer/nanoparticle (NPs) composite materials: PBLG-PtNPs and C12-AuNPs. Impedance spectroscopy measurements allowed me to determine the equivalent electrical models (parallel RC) to account for the electrical measurements. These measurements allowed me to highlight the impact of the spatial organization on the dynamic conductivity, and to extract the dielectric relaxation times characteristic of the hybrid nanoparticles/polymer systems.Impedance spectroscopy measurements on PBLG-PtNPs under optical excitation have revealed two types of responses (i) a positive photo-conductance coming from gold nanoparticles. (ii) a negative photo-conductance associated to the polymer. These two contributions to the photo-conductance are integrated in the equivalent circuit.An important objective of my thesis work is to relate the electrical characteristics of nanoparticle assemblies observed at the macroscopic scale to the charge transfer and transport properties at the nanoscopic scale. These properties: tunneling and charge retention allowed us to build an equivalent electrical model for each connection between neighboring nanoparticles. The electrical characteristics of these nanoparticle assemblies are obtained by numerical resolution of Kirchhoff's laws from the electrical parameters of the inter-particle junctions.Numerical simulations were compared with the results from analytical models proposed in the literature. At the center of the analytical models is the notion of percolation path for the transport of charges and their characteristics both in terms of frequency and length behavior as well as in terms of their statistical distribution.The last part of my thesis deals with the implementation in numerical simulations of the transport phenomena, the light/matter interaction and the plasmonic resonance of gold nanoparticles. I have implemented a numerical solution of Maxwell's equations which allowed me to determine the local electric field distribution in the nanoparticle lattice submitted to an optical excitation. Thanks to this approach I was able to introduce a local photo-conductance which completes the equivalent electrical circuit of a nano-junction, now of plasmo-electronic nature. The light-matter interaction is also taken into account at the level of the polymer molecules surrounding the nano-particles, which leads to a negative photo-conductance.The numerical resolution of Kirchoff's laws from nano-junction allows to describe at the macroscopic scale the transport properties and their electrical characteristics observed experimentally. I studied the influence of several parameters, such as the inter-particle distance, the wavelength and intensity of the optical excitation, the temperature. The simulations have been compared with impedance spectroscopy measurements on macroscopic systems and show the same dependence on temperature and optical excitation. This allows us to extract the plasmo-electronic parameter such as the electron-photon conversion factor related to the plasmon.Hybrid systems present unique optical and electrical properties. The global properties of these systems have been extracted by impedance spectroscopy but they emerge from nanoscopic interactions between nanoparticles. The numerical simulation methods developed during this thesis have allowed to build a bridge between the macroscopic world of the experiment and the nanoscopic world explored by simulation. This multi-scale approach is very promising for the study of future hybrid opto-electronic devices.