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
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry - Laboratoire Charles Fabry / Biophotonique
• Partenaire(s) de recherche : référent : Institut d'Optique
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Céline Fiorini-Debuisschert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aurélien Crut, Guillaume Baffou, Nadi Braidy
• 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

Spectroscopie pompe-Sonde

Nanostructures

Désorption locale

Plasmonics

Thermoplasmonics

Thermo-Optical modeling

Pump-Probe spectroscopy

Nanostructures

Local desorption

Résumé

L'excitation de nanoparticules métalliques par des impulsions de lumière ultra-brèves génère des effets photo-thermiques localisés capables d'altérer leur chimie de surface. Ce travail de recherche a pour objectif d'étudier et d'utiliser ces effets dans le but de contrôler localement la distribution de molécules d'intérêt sur les nanoparticules. Dans un premier temps, l'utilisation conjointe de mesures de spectroscopie pompe-sonde et d'un modèle numérique thermo-optique ayant un nombre minimum de paramètres libres ont permis de mettre en évidence l'hétérogénéité des effets photo-thermiques se produisant dans des nanostructures en forme de croix asymétriques.Par la suite, un protocole permettant de marquer spécifiquement la chimie de surface avec des nanoparticules de silice a été développé. Celui-ci a permis de mettre en lumière la dégradation locale de molécules à la surface de nanostructures illuminées 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 dernier à la surface des structures avec une résolution de quelques dizaines de nanomètres. Ces résultats ouvrent la voie au développement de capteurs plasmoniques optimisés pour la détection de molécules en très faible concentration.

The excitation of metal nanoparticles through short pulses of light induces localized photo-thermal effects capable of altering their surface chemistry. This research aims to investigate and harness these effects for the precise manipulation of molecule distribution on nanoparticles at a local level. Initially, employing both pump-probe spectroscopy measurements and a thermo-optical numerical model with minimal free parameters, we outlined the heterogeneous nature of photo-thermal effects within asymmetric cross-shaped nanostructures. Then, a methodology was developed to specifically label the surface chemistry using silica nanoparticles. This labeling revealed the localized degradation of molecules on the nanostructure's surface exposed to very short pulses. Under low-power illumination, only molecules within high-electric field zones undergo degradation, enabling the experimental delineation and visualization of electric field intensity distribution on the structure surfaces with a few tens of nanometers resolution. These findings pave the way for the development of plasmonic sensors optimized for the detection of molecules at very low concentrations.