Réponse optique d’agrégats d’argent : excitations plasmoniques et effets de l’environnement

par Romain Schira

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Franck Rabilloud.

Soutenue le 05-10-2018

à Lyon , dans le cadre de École doctorale de Physique et d’Astrophysique (Lyon) , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Institut Lumière Matière (laboratoire) .

Le président du jury était Thomas Niehaus.

Le jury était composé de Franck Rabilloud, Aurélie Perrier, Jean Lerme.

Les rapporteurs étaient Hans-Christian Weissker, Phuong Mai Dinh.


  • Résumé

    Les réponses optiques d'agrégats de métaux nobles sont caractérisées par une absorption intense, situées dans le domaine UV-Visible, et appelée plasmon de surface localisé. Pour des particules de plusieurs nanomètres de diamètre, le phénomène de plasmon peut être interprété par des modèles semi-classiques ou classiques comme la théorie de Mie, mais ces modèles trouvent leur limite lorsque la taille du système diminue. La théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps (TDDFT) est une approche entièrement quantique qui permet d'appréhender le phénomène de plasmon en reproduisant la réponse optique de petits agrégats d'argent, composés de quelques atomes à quelques centaines d'atomes. Dans ce contexte, nous avons réalisé des calculs TDDFT avec une fonctionnelle de type Range-Separated-Hybrid (RSH) sur des agrégats contenant entre 8 et 147 atomes d'argent. Les spectres obtenus sont en excellent accord avec les données expérimentales et les réponses optiques calculées perme ttent de retrouver les prédictions du modèle en couches. Nous présentons des outils permettant d'identifier et de caractériser les excitations plasmoniques dans le formalisme de la TDDFT. Les effets de l'environnement sur la réponse optique des agrégats sont également étudiés, avec notamment la présentation d'une méthodologie permettant de reproduire les spectres mesurés sur des agrégats d'argent piégés dans des matrices de gaz rare. Les effets de l'oxydation et les effets induits par une matrice de silice sur la réponse optique des agrégats sont également étudiés

  • Titre traduit

    Optical Response of Silver Cluster : Plasmonic Excitations and Effects of the Surrounding Medium


  • Résumé

    Optical responses of noble metal clusters are characterized by a strong absorption in the UV-Visible range called localized surface plasmon. For clusters of several nanometers, the plasmon phenomenon can be interpreted by semi-classical or classical model, as the Mie theory, but those models can not describe the optical response of small-size clusters. The time dependent density functional theory (TDDFT) is a quantum method that allow to understand the plasmon phenomenon by reproducing the optical response of small silver cluster, made of a few tens or hundreds atoms. In this context, we performed TDDFT calculation using Range-Separated Hybrid (RSH) functionals over cluster containing between 8 and 147 silver atoms. The obtained spectra are in excellent agreement with the experimental ones and the calculated optical response allows to recover the shell model prediction. We present some tools that allow to identify and characterize plasmonic excitations within the TDDFT framework. The effect of the surrounding medium over the optical response of clusters are studied, in particular we will present a methodology that allow to reproduce spectra measured over clusters trapped in rare gas matrix. The effects of the oxidation and the effects induced by a silica matrix over the optical response of clusters are also studied


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