Photo-induced ultrafast optical and thermal responses of gold nanoparticles

par Xiaoli Wang

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Bruno Palpant.

Soutenue en 2013

à Paris 6 .


  • Résumé

    Les nanoparticules (NP) d’or sous irradiation lumineuse présentent une oscillation collective de leurs électrons de conduction connue sous le nom de résonance de plasmon de surface (RPS) localisé. La RPS permet alors l’injection d’énergie rapide et efficace dans des NP par absorption d’impulsions laser ultracourtes. Il s’ensuit une série de mécanismes de conversion et d’échange énergétique, impliquant les diffusions électron-électron et électron-phonon. L’échauffement des NP qui en résulte relaxe ensuite par transfert thermique vers le milieu hôte. Les NP peuvent être ainsi vue comme des sources de chaleur localisées et ultrarapides. Au-delà, les différents processus photo-induits résultent en la modification transitoire des propriétés optiques des NP, que l’on peut suivre par spectroscopie laser pompe-sonde résolue en temps. L’injection d’énergie et la réponse optique, dominées par la RPS, sont très sensibles aux paramètres morphologiques tels que la taille, la forme et la distribution spatiale des particules. Dans ce travail, nous étudions plusieurs aspects de la réponse optique transitoire ultrarapide de NP d’or. Nous présentons d’abord les fondements théoriques, les modèles et la technique expérimentale que nous avons mis en œuvre. La dépendance spectrale de la réponse optique de nanobâtonnets, puis les effets de couplage plasmonique sur les propriétés optique stationnaires et transitoires de réseaux de NP, sont alors abordés. Nous étudions et exploitons le couplage résonnant de la RPS et d’un mode localisé dans une cavité de cristal photonique 1D en régime transitoire. Enfin, nous analysons ensuite l’échauffement local photo-induit de différents types de NP

  • Titre traduit

    Photo-induced ultrafast optical and thermal responses of gold nanoparticles


  • Résumé

    Gold nanoparticles (NPs) under light irradiation exhibit collective oscillations of their conduction electrons, known as the localized Surface Plasmon Resonance (SPR). The SPR then enables efficient and quick energy input in NPs through absorption of ultrafast laser pulses. A series of energy conversion and exchange mechanisms follows involving electron-electron and electron-phonon scattering. The subsequent NP heating further relaxes by thermal transfer to the host medium. Gold NPs under light pulses can thus be used as local ultrafast heat nanosources. Furthermore, the different photo-induced processes result in the transient modification of the NP optical properties, which can be monitored by time-resolved pump-probe laser spectroscopy. The energy input and optical response, as being mainly linked with the SPR, are very sensitive to the NP morphological parameters like size, shape and spatial distribution in the host medium. In this work, we study and exploit several aspects of the ultrafast transient optical response of gold NPs. We first review the theoretical fundamentals and models, as well as the experimental technique that we have carried out. Then the spectral dependence of the optical response of gold nanorods is investigated. Further, we analyze also the effect of plasmon coupling on the stationary and transient optical properties of gold NP arrays. Moreover, we investigate and exploit the ultrafast transient resonant coupling of the SPR of gold NPs and a localized cavity mode in a 1D photonic crystal. Finally, we study the local photo-induced heating properties of several kinds of NPs

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Informations

  • Détails : 1 vol. (205 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 197-205. 177 réf. bibliogr. index

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