Étude et développement de capteurs basés sur la résonance de plasmon de surface localisée en conjonction à la spectroscopie anisotrope

Study and development of localised surface plasmon resonance based sensors using anisotropic spectroscopy

• Auteur / Autrice : William L. Watkins
• Direction : Yves Borensztein
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-chimie
• Date : Soutenance le 08/10/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des nanosciences de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Petit
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ramdane Benferhat, Didier Gourier, Virginie Ponsinet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hynd Remita, Lionel Simonot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anisotropie

Spectroscopie d'absorption

Matériaux nanostructurés

Nanoparticules

Résonance plasmonique de surface

Mots clés libres

LSPR

Plasmon

Capteur

Hydrogène

Or

Anisotropie

Spectroscopie

Palladium

Optique

Nanoparticules

Sensor

Hydrogen

Gold

Anisotropy

Spectroscopy

Palladium

Optic

Nanoparticles

LSPR

Plasmon

Résumé

La résonance de plasmon de surface localisée (LSPR) est définie comme l’oscillation collective du nuage d’électrons de conduction induite par un champ électrique externe. Dans le cas de nanoparticules composé de métaux nobles tels que l’or, l’argent, ou le cuivre,la résonance est localisée dans le visible ou le proche UV. La polarisabilité d’une nanoparticule est directement proportionnelle à quatre paramètres clefs : son volume, sa composition, sa forme et son milieu environnant. Ce sont ces propriétés qui font que la LSPR peut être utilisée à des fin de capteur. Dans le cas d’une particule isotrope, tel que la sphère, le spectre LSPR montre un seul pic d’absorption. Dans le cas d’une particule anisotrope, tel qu’une ellipsoïde, le spectre d’absorption a deux maxima distincts. Si on calcule la section efficace d’absorption en considérant une lumière non polarisée, on obtient deux maxima. Le point clef de ce type de système est la possibilité de découpler les deux résonances en utilisant une lumière polarisée. Dans cette description le système anisotrope est considéré comme microscopique, c’est à dire qu’il ne s’agit que d’une ou deux particules. Dans le cas d’un échantillon macroscopique, tel qu’une solution colloïdale d’ellipsoïdes ou nanotiges, le spectre d’absorption aura toujours deux maxima d’absorption, mais ceux-ci ne pourront pas être découplés car l’échantillon n’est pas globalement anisotrope. En revanche, si l’échantillon présente une anisotropie globale telle que des nanotiges alignés, ou des nanosphères organisées en ligne, il est possible d’avoir un spectre de plasmon dépendant de la polarisation de la lumière. Être capable de découpler les résonances d’un échantillon anisotrope permet de mesurer un spectre différentiel en prenant la différence des deux spectres d’absorption. Cela est expérimentalement possible en utilisant la spectroscopie de transmis- sion anisotrope qui permet la mesure de l’anisotropie optique. L’avantage est d’obtenir un spectre relative et différentiel donc plus stable et reproductible. De plus il est maintenant possible de suivre l’évolution de la réponse optique des particules plasmoniques, non plus en mesurant un déplacement spectral, mais en mesurant le changement d’intensité du signal à une longueur d’onde fixe. Cette méthode est utilisée pour deux cas d’études qui sont la mesure de l’interaction du dihydrogène avec des nanoparticules d’or, ainsi que la détection de faible pression partielle de dihydrogène dans un gaz porteur (argon, et air) à l’aide de palladium, pour des applications de capteur d’hydrogène.

Localised surface plasmon resonance (LSPR) is defined as the collective oscillation of the conduction electron cloud induced by an external electric field. In the case of nanoparticles composed of noble metals such as gold, silver, or copper, the resonance is located in the visible or near UV range. The polarisability of a nanoparticle is directly proportional to four key parameters: its volume, its composition, its shape and its surrounding environment. It is these properties that make LSPR useful for sensor applications. In the case of isotropic particles, such as spheres, the LSPR spectrum shows only one absorption peak. In the case of an anisotropic particle, such as an ellipsoid, the absorption spectrum has two or more distinct peaks. If the absorption cross-section is measured with unpolarised light, multiple maxima are obtained. The key point for these type of systems is the possibility to decouple the resonances using polarised light. In this description the anisotropic system is considered microscopic, i.e. it is only made of one or two particles. In the case of a macroscopic sample, such as a colloidal solution of ellipsoids or nanorods, the absorption spectrum will always have multiple absorption maxima, and they cannot be decoupled because the sample is not globally anisotropic.On the other hand, if the sample has a global anisotropy such as aligned nanorods, or nanosphere organised in lines, it is possible to have a plasmon spectrum dependent on the light polarisation. Being able to decouple the resonances of an anisotropic sample makes it possible to measure a differential spectrum by taking the difference of the two absorption spectra. This is experimentally possible by using anisotropic transmission spectroscopy which measures the optical anisotropy. The advantage is to obtain a relative and differential spectrum more stable and reproducible. Moreover, it is now possible to follow the evolution of the optical response of the plasmonic particles no longer by measuring a spectral shift but by measuring the change in intensity of the signal at a fixed wavelength. This method is used on two case studies which are the measurement of the interaction of dihydrogen with gold nanoparticles, as well as the detection of low partial pressure of dihydrogen in a carrier gas (argon, and air) using palladium nanoparticles, for hydrogen sensing applications.