Optics and structure of metal clusters at the atomic scale

par Alfredo Campos Otero

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Mathieu Kociak.

Soutenue le 31-10-2018

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (2015-.... ; Orsay, Essonne) , en partenariat avec Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Maria Tchernycheva.

Le jury était composé de Mathieu Kociak, Maria Tchernycheva, Natalia Del Fatti, Caroline Bonafos, Bernd von Issendorff.

Les rapporteurs étaient Natalia Del Fatti, Caroline Bonafos.

  • Titre traduit

    Optique et structure d'agrégats métalliques à l’échelle atomique


  • Résumé

    Il est bien connu que les propriétés optiques des nanoparticules de métaux nobles, en particulier d'or et d'argent, s'écartent fortement de celles de métaux macroscopiques. Pour les tailles comprises entre dix et quelques centaines de nanomètres, elles sont dominées par les plasmons de surface (SP) décrites par des modèles purement classiques. En revanche, les agrégats de quelques dizaines d’atomes se comportent comme des systèmes quantiques, ce qui induit des comportements optiques nouveaux. La structure des nanoparticules et l'environnement diélectrique peuvent affecter les propriétés optiques. Dans cette thèse, j'ai utilisé un microscope électronique à transmission à balayage (STEM) équipé d'un spectromètre à perte d'énergie des électrons (EELS) pour mesurer, en parallèle, les propriétés optiques et structurales de nanoparticules individuelles. Je présente comment des expériences complémentaires (STEM-EELS et absorption optique) sur de petites nanoparticules d'argent triées en taille et encapsulées dans une matrice de silice donnent au premier abord des résultats incohérents: tandis que, d’une part, l'absorption optique ne montre aucun effet de taille entre quelques atomes et environ 10 nm, un décalage en énergie est observé dans les mesures STEM-EELS. Notre interprétation quantitative, fondée sur un modèle mixte classique/quantique qui prend en compte tous les effets quantiques pertinents, a résolu les apparentes contradictions non seulement dans nos données expérimentales, mais également dans celles de la littérature. Notre modèle décrit comment l'environnement local est le paramètre crucial contrôlant la manifestation ou l'absence d'effets de taille quantique. En second lieu, je me suis intéressé à la région purement classique à travers des structureslithographiées de quelques centaines de nanomètres. Bien que les cavités plasmoniques triangulaires aient été largement étudiées dans la littérature, une classification en termes de modes de respiration et de bords plasmoniques manquait. Dans cette étude, les résultats expérimentaux de STEM-EELS, des modèles analytiques et des simulations classiques nous ont permis de décrire la nature des différents modes.


  • Résumé

    It is well known that the optical properties of nanoparticles of noble metals, in particular gold and silver, deviate strongly from those of macroscopic metals. For sizes between ten and a few hundred nanometers, they are dominated by surface plasmons (SPs) described by purely classical models. On the other hand, clusters of a few tens of atoms behave like quantum systems inducing new optical behaviors. The structure of the nanoparticles and the dielectric environment can affect the optical properties. In this thesis I used a scanning transmission electron microscope (STEM) fitted with an electron energy loss spectrometer (EELS) to measure, in parallel, the optical and structural properties of individual nanoparticles. I present how complementary experiments (STEM-EELS and optical absorption) on sizeselected small silver nanoparticles embedded in silica yield at first inconsistent results: while optical absorption shows no size-effect in the range between only a few atoms and ~10 nm, a clear spectral shift is observed in STEM-EELS technique. Our quantitative interpretation, based on a mixed classical/quantum model which takes into account all the relevant quantum effects, resolves the apparent contradictions, not only within our experimental data, but also in the literature. Our comprehensive model describes how the local environment is the crucial parameter controlling the manifestation or absence of quantum size effects. Secondly, I was interested in the purely classical region through lithographed structures of a few hundred nanometers. Although triangular plasmonic cavities have been widely studied in the literature, a classification in terms of plasmonic modes of breathing and edge was missing. In this study, experimental STEM-EELS results, analytical models and classical simulations enabled us to describe the nature of the different modes.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 31-10-2019


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Paris-Sud. Service commun de la documentation. Bibliothèque électronique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.