Fabrication et optimisation de résonateurs optiques par auto-assemblage en émulsion pour l’élaboration de métasurfaces

Fabrication and optimization of optical resonators via an emulsion route for the elaboration of metasurfaces

• Auteur / Autrice : Maeva Lafitte
• Direction : Olivier Mondain-Monval, Virginie Ponsinet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 27/11/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche Paul Pascal (Pessac ; 1963-....)
• Jury : Président / Présidente : Cécile Zakri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Agnès Maître
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Gacoin, Jean-François Berret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métasurfaces

Nanoémulsions

Plasmons

Autoassemblage

Mots clés libres

Émulsion

Auto-assemblage

Plasmonique

Résonateur

Métasurface

Emulsion

Self-assembly

Plasmonics

Resonator

Metasurface

Résumé

Le contrôle d'assemblages colloïdaux complexes peut mener à la fabrication de nano-objets possédant des propriétés de résonance optique spécifiques et originales, pouvant être utilisées pour contrôler la propagation de la lumière. Cette thèse vise ainsi à fabriquer et optimiser des nano-résonateurs optiques plasmoniques pour les utiliser comme briques de base de métasurfaces de Huygens, efficaces dans le domaine du visible pour diffuser la lumière de manière directionnelle. Ces résonateurs sont des assemblages denses de nanoparticules d’argent, appelés clusters. Leur production repose sur la formulation puis le séchage d’une émulsion, dont les gouttes confinent l’auto-assemblage des nanoparticules et permettent l’obtention de clusters finaux de géométrie et de structure contrôlées. Cette dernière dépend de plusieurs paramètres, dont le principal est la nature et la longueur du ligand des nanoparticules. Les clusters synthétisés sont caractérisés à l’aide de plusieurs techniques, permettant de déterminer leur taille, leur forme, la qualité de leur assemblage et leur densité en argent. Une étude optique de ces résonateurs permet de déterminer leurs propriétés d’interaction avec la lumière. Les résultats montrent la présence d’une réponse dipolaire magnétique forte, dont l’amplitude et la longueur d’onde sont similaires à celles de la réponse dipolaire électrique des résonateurs. Ceci leur permet de diffuser la lumière de façon directionnelle, vers l’avant, et donc d’agir comme des résonateurs de Huygens. De ce fait, des dépôts de clusters d’argent ont été élaborés au cours de cette thèse, dans le but d’obtenir des métasurfaces de Huygens, selon deux stratégies principales : la synthèse d’une dispersion de clusters puis son dépôt sur un substrat ; la synthèse et le dépôt simultanés des clusters sur un substrat. Cette dernière stratégie, impliquant le dépôt puis le séchage sur un substrat d’une émulsion contenant dans ses gouttes une suspension de nanoparticules d’argent, a permis d’obtenir des surfaces finales homogènes et densément recouvertes de clusters de Huygens. Leur étude optique a démontré qu’elles interagissent de manière intense et résonante avec la lumière incidente.

The control of complex colloidal assemblies can lead to the fabrication of nano-objects with specific and original optical resonance properties, which can be used to control the propagation of light. The aim of this thesis is to fabricate and optimise plasmonic optical nano-resonators for use as building blocks for Huygens metasurfaces, which are effective in the visible range for scattering light directionally. These resonators are dense assemblies of silver nanoparticles, known as clusters. They are produced by formulating then drying an emulsion whose droplets confine the self-assembly of the nanoparticles and enable the final clusters to be obtained with a controlled geometry and structure. The latter depends on several parameters, the main one being the nature and length of the nanoparticle ligand. The synthesised clusters are characterised using several techniques to determine their size, shape, assembly quality and silver density. An optical study of these resonators was carried out to determine their interaction properties with light. The results show the presence of a strong magnetic dipolar response, the amplitude and wavelength of which are similar to those of the resonators' electrical dipolar response. This allows them to scatter light directionally, in a forward direction, and therefore to act like Huygens resonators. Therefore, deposits of silver clusters were developed in the course of this thesis, in order to obtain Huygens metasurfaces, using two main strategies: the synthesis of a dispersion of clusters and then their deposition on a substrate; the simultaneous synthesis and deposition of clusters on a substrate. The latter strategy, involving the deposition then drying on a substrate of an emulsion containing a suspension of silver nanoparticles in its droplets, resulted in homogeneous final surfaces densely covered with Huygens clusters. Their optical study showed that they interact intensely and resonantly with incident light.