Étude expérimentale et théorique des effets photo-thermiques ultra-rapides dans des réseaux de nanoparticules - application au contrôle local de la chimie de surface

Experimental and theoretical study of ultrafast photo-thermal effects in nanoparticle arrays - application to local control of surface chemistry

• Auteur / Autrice : Marlo Vega
• Direction : Michael Canva, Paul Charette
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 02/07/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Université de Sherbrooke (Québec, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry / Biophotonique - Laboratoire nanotechnologies et nanosystèmes (Lyon, France ; Sherbrooke, Canada ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Graduate Scool : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
• Jury : Président / Présidente : Céline Fiorini-Debuisschert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paul Charette, Aurélien Crut, Guillaume Baffou, Nadi Braidy, Jean-François Bryche, Julien Moreau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aurélien Crut, Guillaume Baffou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Désorption stimulée

Thermodésorption

Nanostructures

Techniques pompe-sonde

Résonance plasmonique de surface

Mots clés libres

Plasmonique

Thermoplasmonique

Modélisation thermo-optique

Nanostructures

Désorption locale

Spectroscopie pompe-sonde

Plasmonics

Thermoplasmonics

Thermo-Optical modeling

Nanostructures

Local desorption

Pump-Probe spectroscopy

Résumé

L'excitation de nanoparticules métalliques par des impulsions delumière ultra-brèves génère des effets photo-thermiques localisés capables d'altérer leurchimie de surface. Ce travail de recherche a pour objectif d'étudier et d'utiliser ceseffets dans le but de contrôler localement la distribution de molécules d'intérêt sur lesnanoparticules. Dans un premier temps, l'utilisation conjointe de mesures despectroscopie pompe-sonde et d'un modèle numérique thermo-optique ayant un nombreminimum de paramètres libres ont permis de mettre en évidence l'hétérogénéité deseffets photo-thermiques se produisant dans des nanostructures en forme de croixasymétriques.Par la suite, un protocole permettant de marquer spécifiquement la chimiede surface avec des nanoparticules de silice a été développé. Celui-ci a permis demettre en lumière la dégradation locale de molécules à la surface de nanostructuresilluminées par des impulsions très brèves. Pour une illumination à faible puissance,seules les molécules dans les zones de forts champs électriques sont dégradées. Ainsi,cela permet de marquer et de visualiser expérimentalement la distribution de ce dernierà la surface des structures avec une résolution de quelques dizaines de nanomètres. Cesrésultats ouvrent la voie au développement de capteurs plasmoniques optimisés pour ladétection de molécules en très faible concentration.

The excitation of metal nanoparticles through short pulses of lightinduces localized photo-thermal effects capable of altering their surface chemistry. Thisresearch aims to investigate and harness these effects for the precise manipulation ofmolecule distribution on nanoparticles at a local level. Initially, employing both pumpprobespectroscopy measurements and a thermo-optical numerical model with minimalfree parameters, we outlined the heterogeneous nature of photo-thermal effects withinasymmetric cross-shaped nanostructures. Then, a methodology was developed tospecifically label the surface chemistry using silica nanoparticles. This labelingrevealed the localized degradation of molecules on the nanostructure's surface exposedto very short pulses. Under low-power illumination, only molecules within highelectricfield zones undergo degradation, enabling the experimental delineation andvisualization of electric field intensity distribution on the structure surfaces with a fewtens of nanometers resolution. These findings pave the way for the development ofplasmonic sensors optimized for the detection of molecules at very low concentrations.