nanoparticules et nanoclusters métalliques dans des films minces polymères: fabrication di-recte par l'écriture optique et caractérisation de leurs propriétés optiques

Metal nanoparticles and nanoclusters in polymer thin films: direct optical patterning andunveiling the optical properties

• Auteur / Autrice : Quang Truong Pham
• Direction : Ngoc Diep Lai
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 07/10/2025
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Lumière, Matière et Interfaces
• Partenaire(s) de recherche : Référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Destouches, Safi Jradi, Agnès Maitre, Stéphanie Buil, Tarek Mohamed
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Destouches, Safi Jradi

Mots clés

Mots clés libres

Nanoparticules d'or

Nanoclusters d'or

Résonance plasmonique de surface localisée

Fluoresence

Effet thermique

Gold nanoparticles

Gold nanoclusters

Ocalized surface plasmon resonance

Fluorescence

Thermal effect

Résumé

Dans cette thèse, nous explorons la formation directe de nanoparticules d'or (Au NPs) et de nanoclusters d'or (Au NCs) incorporés dans des films minces polymères, dans le but de comprendre les mécanismes fondamentaux régissant leur croissance, ainsi que d'étudier leurs propriétés optiques linéaires et non linéaires. Ce travail est structuré en deux parties principales : La première partie est consacrée à la synthèse à grande échelle de Au NPs dispersées de manière aléatoire dans une matrice polymère, obtenue par un recuit thermique conventionnel par une plaque chauffante. Les propriétés optiques des nanocomposites ainsi formés, et en particulier leurs réponses plasmoniques, se révèlent dépendantes des paramètres de synthèse tels que la concentration du précurseur d'or et les conditions de recuit. Pour étayer et comparer les résultats expérimentaux, des simulations dans le domaine temporel aux différences finies (FDTD) sont effectuées pour valider les propriétés plasmoniques des Au NPs. Cette méthode de fabrication simple et robuste permet d'obtenir des Au NPs stables et présente un fort potentiel pour des applications en détection plasmonique et en lasing aléatoire. La seconde partie porte sur la fabrication directe de microstructures bien définies à base de Au NPs dans un milieu polymère, en utilisant une technique d'écriture laser directe (DLW). En focalisant étroitement un laser continu de faible puissance sur des échantillons hybrides polymère-métal, un effet photothermique localisé est induit, permettant la formation soit de fluorescent Au NCs (faible puissance laser), soit de plasmonique Au NPs (forte puissance laser). Un modèle thermique simple est proposé pour décrire les processus photothermiques se produisant dans le matériau absorbant, soutenant le mécanisme de formation de NPs induite thermiquement. Une grande variété de microstructures polymères multidimensionnelles, contenant soit des Au NCs, soit des Au NPs, ont ainsi été réalisées avec succès par DLW. Par la suite, les propriétés de génération de seconde harmonique (SHG) des Au NPs incorporés sont étudiées, résultant d'effets de rupture de symétrie au sein de la matrice polymère. En outre, nous avons démontré que les Au NCs (taille < 2~nm) possèdent des propriétés fluorescentes très fortes, contrairement aux Au NPs (taille > 2~nm). Cela est attribué aux propriétés quantiques de ces nanoclusters métalliques. La capacité à moduler les réponses optiques linéaires et non linéaires ouvre la voie à de nombreuses applications potentielles, telles que le stockage optique de données, l'impression couleur, l'imagerie non linéaire, et les lasers à fluorescence à base d'or.

In this thesis, we explore the direct formation of gold nanoparticles (Au NPs) and gold nanoclusters (Au NCs) embedded within polymer thin films, aiming to understand the underlying mechanisms governing their growth, as well as investigating their linear and nonlinear optical properties. The work is structured into two main parts: The first part focuses on the direct synthesis of randomly dispersed Au NPs within a polymer matrix, achieved through a conventional thermal annealing by a hotplate. The optical properties of the resulting nanocomposites, particularly their plasmonic responses, are shown to depend on synthesis parameters such as gold precursor concentrations and annealing conditions. To support and compare with the experimental findings, finite-difference time-domain (FDTD) simulations are performed to valid the Au NPs plasmonic properties. This simple and robust fabrication method produces stable Au NPs and holds significant promise for applications in plasmonic sensing and random lasing. The second part shifts to the direct fabrication of well-defined Au NP-based microstructures within a polymeric medium using a direct laser writing (DLW) technique. By tightly focusing a continuous-wave laser onto hybrid polymer-metal samples, a localized photothermal effect is induced, enabling the formation of either fluorescent Au NCs (low laser power) or their plasmonic Au NP counterparts (high laser power). A simple thermal model is proposed to describe the photothermal processes occurring in the absorbing material, supporting the mechanism of thermal-induced NP formation. A wide variety of multidimensional polymeric micropatterns containing either Au NCs or Au NPs were then successfully realized by using DLW. Subsequently, the second-harmonic generation (SHG) properties of the embedded Au NPs are investigated, arising from symmetry-breaking effects within the polymer matrix. Furthermore, we demonstrated that Au NCs (size < 2~nm) possess very strong fluorescent properties, which is not the case of Au NPs (size > 2~nm). This is attributed to a quantum properties of this metallic NCs. The ability to tailor both linear and nonlinear optical responses opens up a range of potential applications, including optical data storage, color printing, nonlinear imaging, and Au fluorescence-based lasers.