Transferts d'énergie ultrarapides à l'échelle nanométrique : dynamiques de refroidissement et vibrationnelle de nano-objets métalliques individuels supportés

Ultrafast energy transfers at the nanoscale : cooling and vibrational dynamics of single supported metal nano-objects

• Auteur / Autrice : Clément Panais
• Direction : Aurélien Crut, Natalia Del Fatti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 29/11/2024
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Lumière Matière (2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Destouches
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aurélien Crut, Natalia Del Fatti, Stefan Dilhaire, Pascal Ruello, Gianpetro Cagnoli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stefan Dilhaire, Pascal Ruello
• DOI : 10.70675/d6f1c0f1z21a7z4222z83f5z122030d92a99

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoparticules d'or

Thermodynamique

Dynamique ultra-rapide

Transfert d'énergie

Mots clés libres

Nanoparticules métalliques individuelles

Nanothermique

Spectroscopie pompe-Sonde

Thermoplasmonique

Spectroscopie par modulation spatiale

Modes propres de vibration

Single metallic nanoparticles

Nanothermics

Pump-Probe spectroscopy

Thermoplasmonics

Spatial modulation spectroscopy

Vibrational eigenmodes

Résumé

Ce travail de thèse porte sur l'étude optique des propriétés thermiques et vibrationnelles de nano-objets métalliques. Deux techniques optiques opérant à l’échelle du nano-objet unique (la spectroscopie par modulation spatiale et la spectroscopie pompe-sonde résolue en temps) ont été utilisées pour localiser des nanodisques d’or individuels déposés aléatoirement sur un substrat solide, caractériser leurs propriétés optiques et étudier leur dynamique ultrarapide. La première partie de ce travail décrit l'étude optique du refroidissement de nanodisques d'or colloïdaux déposés sur des substrats de différentes compositions et épaisseurs, complétée par des simulations numériques. Les expériences et simulations réalisées ont démontré que la dynamique thermique, régie par le transfert thermique à l'interface nanodisque-substrat et la diffusion de la chaleur dans le substrat, dépend fortement des caractéristiques du substrat, avec notamment un ralentissement marqué dans le cas de membranes nanométriques. La deuxième partie de ce travail a permis de caractériser la réponse optique transitoire d’un nanodisque d’or unique induite par sa dynamique thermique. Une forte dépendance de la sensibilité des mesures optiques à l’échauffement du nanodisque vis-à-vis de la longueur d'onde du faisceau lumineux utilisé pour sonder cet échauffement a pu être démontrée et quantifiée. Une dépendance de la dynamique temporelle des signaux optiques mesurés en fonction de la longueur d’onde de sonde a également été observée dans la gamme spectrale où la contribution de l’échauffement de la membrane n’est pas négligeable devant celle associée à l’échauffement du nanodisque, et a pu être reproduite quantitativement par un modèle thermo-optique. La dernière section de cette thèse se concentre sur l'étude des propriétés vibrationnelles de nanodisques d'or uniques. Les expériences menées ont permis de confirmer la dépendance marquée des facteurs de qualité vibrationnels de nano-objets déposés vis-à-vis de leur morphologie, démontrée dans des travaux antérieurs. En particulier, des facteurs de qualité améliorés ont été observés pour des nanodisques avec des rapports diamètre/épaisseur compris entre 2 et 5. La sensibilité des signaux optiques mesurés aux vibrations d’un nanodisque a également été mesurée. Elle dépend fortement de la longueur d'onde de la sonde, tout en présentant une forme spectrale très différente de celle de la sensibilité optique à l’échauffement du nanodisque. Ce travail de recherche a ainsi permis de mieux comprendre les dynamiques de refroidissement et vibrationnelle de nanodisques d’or individuels déposés sur des membranes d’épaisseur nanométrique, et de quantifier précisément la sensibilité des signaux mesurés par spectroscopie optique pompe-sonde à ces dynamiques. Des travaux ultérieurs pourraient se focaliser sur l’étude de nanoparticules déposées sur des membranes de composition différente et plus favorable à la mise en évidence de modalités non-diffusives de transfert thermique, ou encore chercher à préciser la nature des phénomènes internes d’amortissement vibrationnels, qui déterminent les facteurs de qualité vibrationnels des nano-objets en l’absence de couplage avec l’environnement.

This thesis work focuses on the optical study of the thermal and vibrational properties of metallic nano-objects. Two optical techniques operating at the scale of a single nano-object (spatial modulation spectroscopy and time-resolved pump-probe spectroscopy) were used to localize single gold nanodisks randomly deposited on a solid substrate, characterize their optical properties, and study their ultrafast dynamics. The first part of this work describes the optical study of the cooling of colloidal gold nanodisks deposited on substrates of different compositions and thicknesses, complemented by numerical simulations. Experiments and simulations demonstrated that the thermal dynamics, governed by thermal transfer at the nanodisk-substrate interface and heat diffusion in the substrate, strongly depend on the characteristics of the substrate, with a significant slowdown in the case of nanometric membranes. The second part of this work allowed to characterize the transient optical response of a single gold nanodisk induced by its thermal dynamics. A strong dependence of the sensitivity of the optical measurements to nanodisk heating on the wavelength of the light beam used to probe this heating was demonstrated and quantified. A dependence of the temporal dynamics of the measured optical signals on the probe wavelength was also observed in the spectral range where the contribution of the heating of the membrane is not negligible compared to that associated with nanodisk heating, and was quantitatively reproduced by a thermo-optical model. The final section of this thesis focuses on the study of the vibrational properties of single gold nanodisks. The experiments carried out allowed to confirm the strong dependence of the vibrational quality factors of deposited nano-objects on their morphology, demonstrated in previous work. In particular, improved quality factors were observed for nanodisks with a diameter/thickness ratios between 2 and 5. The sensitivity of measured optical signals to the vibrations of a nanodisk was also measured. It strongly depends on the probe wavelength, while presenting a very different spectral shape from that of optical sensitivity to nanodisk heating. This research work has thus led to a better understanding of the cooling and vibrational dynamics of single gold nanodisks deposited on nanometer-thick membranes, and has allowed to precisely quantify the sensitivity of signals measured by optical pump-probe spectroscopy to these dynamics. Future work could focus on studying nanoparticles deposited on membranes of different compositions that are more favorable for demonstrating non-diffusive modes of heat transfer, or investigate the nature of internal vibrational damping phenomena, which determine the vibrational quality factors of nano-objects in the absence of coupling with the environment.