Etude par luminescence à deux photons des propriétés plasmoniques de nano-objets uniques métalliques ou hybrides

par Céline Molinaro

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Céline Fiorini-Debuisschert.

Soutenue le 21-10-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (2015-.... ; Orsay, Essonne) , en partenariat avec Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Bruno Palpant.

Le jury était composé de Céline Fiorini-Debuisschert, Bruno Palpant, Sébastien Bidault, Erik Dujardin, Agnès Maître, Benoît Cluzel.

Les rapporteurs étaient Sébastien Bidault, Erik Dujardin.


  • Résumé

    Ma thèse a été centrée sur l’étude par luminescence à deux photons (TPL) de nanostructures d’or uniques, éventuellement couplées, dans le but d’en déterminer les propriétés de nano-antennes optiques. Les différentes expériences réalisées ont permis de mettre en évidence les paramètres clés à l’origine de la luminescence à deux photons (TPL) permettant de mettre en évidence le rôle du plasmon transverse. Ce résultat a été confirmé par l’étude de nanobipyramides présentant des caractéristiques plasmoniques légèrement différentes. Ce modèle a été approfondi via l’étude des propriétés TPL de nanobâtonnets présentant des volumes différents mais des résonances plasmoniques identiques. Enfin, en confrontant les résultats expérimentaux à des simulations obtenues par BEM (Boundary Element Method), nous avons montré que le signal provenait a priori des atomes du volume de la NP. Des problèmes de photo-dégradations ont par ailleurs été constatés et analysés. Au-delà des nano-bâtonnets, nous avons quantifié les effets dits de pointes de nanobipyramides présentant des caractéristiques plasmoniques proches de celles des bâtonnets. Nous avons également pu mettre en évidence de très fortes intensités TPL sur les points chauds issus d’échantillons d’or semi-continu. Un second volet de mes travaux a concerné la mise en œuvre et la caractérisation des propriétés optiques linéaires et non-linéaires de nano-émetteurs hybrides individuels couplant une nano-antenne à des fluorophores. Différentes techniques ont été testées : la mise en œuvre de dépôts multicouches (méthode dite « layer-by-layer »), ou la nanophotopolymérisation localisée. Dans les deux cas, outre la complexité de mise en œuvre de ces techniques, nous avons été confrontés à la difficulté d’extraire le signal des molécules du très fort signal de luminescence à deux photons des nanostructures d’or.

  • Titre traduit

    Two-photon luminescence study of plasmonic properties of single metallic or hybrid nano-objects


  • Résumé

    My PhD work has been dealing with the two-photon luminescence (TPL) study of single gold nanostructures, possibly coupled in order to determine their nano-antenna optical properties. Key parameters to explain the origin of the TPL were provided from the two-photon luminescence study of single small 10 nm x 40 nm colloidal gold nanorods (GNR) which highlight the transverse plasmon influence. This origin was confirmed by the results obtained after the characterization of nanobipyramid exhibiting plasmonic properties closed to nanorods. A deeper insight in this model was further developed after investigating the properties of gold nanorods having closed aspect ratio and plasmonic resonances but increasing volume. Experimental data were correlated with BEM (Boundary Elements Method) simulations. It was shown that the TPL signal was coming from the bulk atoms. Photodegradations problems have moreover been observed and analyzed. Above the analysis of gold nanorods, the lightning rod effect of nanobipyramid was also investigated. Finally very high TPL intensity spots were recorded in semi-continuous gold films close to percolation. A second part of my study was related to the fabrication and the characterization of the optical properties of hybrid nano-emitters. They were fabricated by coupling a nano-antenna with fluorophores. Two different techniques were tested: the so-called layer-by-layer method and localized nanophotopolymerization. In both cases, together with the difficulty to accurately control both methods, retrieving the molecules signal from the huge TPL signal of the gold nanostructures was shown to be rather difficult.


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