Hybridization of block copolymer thin films with plasmonic nanoresonators for optical metamaterials design.

par Alberto Alvarez Fernández

Thèse de doctorat en Polymères

Sous la direction de Virginie Ponsinet et de Guillaume Fleury.

Soutenue le 16-11-2018

à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale des Sciences chimiques (Talence ; Gironde) , en partenariat avec Centre de Recherche Paul Pascal (Pessac) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Films minces hybrides de copolymères à bloc et de nanorésonateurs plasmoniques pour la conception de métamatériaux optiques.


  • Résumé

    Le concept de metamatériaux est apparu au cours des années 2000 avec la réalisation de structures artificielles permettant une propagation non-conventionnelles des ondes électromagnétiques. La réponse électromagnétique des metamatériaux est liée à la présence d’éléments optiquement résonants, de dimensions inférieures aux longueurs d’onde d’excitation, arrangés dans une structure périodique prédéfinie.Afin de produire les structures géométriques inhérentes au design de metamatériaux, l’auto-assemblage des copolymères à blocs constitue une méthodologie émergente. En effet, les structures périodiques produites lors de la séparation de phase de ces matériaux peuvent être utilisées en tant que canevas pour la création de réseaux périodiques de nanoparticules. L’objectif principal de ces travaux de thèse a ainsi été de démontrer la validité de cette stratégie pour la réalisation, d’une manière simple et reproductible, d’une large gamme de nanostructures et de corréler les paramètres structuraux de ces réseaux de nanoparticules aux propriétés optiques.Une première démonstration de ce concept a été obtenue en utilisant un copolymère à blocs formant une structure lamellaire afin de réaliser des surfaces possédant des indices de réfraction élevés. La formation contrôlée de particules métalliques au sein de cette structure a permis de produire des surfaces décorées par ces nanoparticules, pour lesquelles une corrélation entre la teneur en or et l’indice de réfraction résultant a pu être établie. Ce concept a été poussé plus en avant en utilisant une gamme des copolymères à blocs de différentes masses molaires et formant une morphologie cylindrique. En effet, un contrôle accru des paramètres structuraux des réseaux de nanoparticules (diamètre et distance inter-particules) a permis la réalisation de metasurfaces aux propriétés optiques variées. Enfin la mise au point d’une stratégie d’auto-assemblage itérative nous a permis d’obtenir des metasurfaces au design complexe, avec notamment la production de surfaces décorées par des clusters bimétalliques ou des multicouches hybrides polymère/metal. Dans l’ensemble des cas, les surfaces décorées de nanoparticules ont été minutieusement caractérisées par des techniques de microscopie et de diffraction RX afin de mieux appréhender les propriétés optiques dérivées d’analyses d’ellipsométrie spectroscopique à angle variable.


  • Résumé

    The concept of metamaterials appeared in the years 2000 with the achievement of artificial structures enabling nonconventional propagation of electromagnetic waves. The electromagnetic response of metamaterials is based on the presence of optically resonant elements of sub-wavelength size and well-designed morphology and organization.In order to create controlled geometrical structures inherent to metamaterials design, block copolymer self-assembly constitutes an emerging strategy. Indeed, the periodic structures inherent to their segregation behavior can be used as scaffolds to create various regular or ordered nanoparticles arrays. The main objectives of this study is to demonstrate that block copolymer can indeed lead to a high level of control of a variety of designed nanostructures, in an easy and scalable method, and to correlate the structural parameters of the nanoparticles arrays and their optical properties.As a first demonstration, a lamellar-forming (poly(styrene)-block-poly(2-vinylpyridine) was used to create high refractive index surfaces. The selective and customizable metal incorporation within the out-of-plane lamellae produces azimuthally isotropic metallic nanostructures of defined geometries, for which a clear relationship between the gold content and the refractive index was established. Further studies were dedicated to the correlation between the geometrical parameters of the nanoparticles arrays and the optical properties through the macromolecular engineering of a series of cylinder-forming block copolymers having a wide range of molecular weights. Through this strategy, the particle diameter and the inter-particle distance were tuned leading to the production of metasurfaces with various optical characteristics. More complex metasurface designs were also obtained using a layer-by-layer self-assembly strategy, i.e. bimetallic raspberry nanoclusters or layered hybrid (metallic/polymer) structures. In all cases, the nanoparticles arrays were thoroughly analyzed using microscopy and small-angle X-ray scattering techniques in order to better apprehend the optical properties derived from variable-angle spectroscopic ellipsometry analysis.


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