Assemblage dirigé de colloïdes hybrides pour l'optique

Directed Assembly of Hybrid Colloids for Optics

• Auteur / Autrice : Rajam Elancheliyan
• Direction : Virginie Ponsinet, Olivier Mondain-Monval
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 09/10/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche Paul Pascal (Pessac ; 1963-....)
• Jury : Président / Présidente : Cécile Zakri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Virginie Ponsinet, Olivier Mondain-Monval, Cécile Zakri, Brigitte Pansu, Sébastien Bidault, Fabienne Gauffre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Brigitte Pansu, Sébastien Bidault

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métamatériaux

Émulsions

Résonateurs optiques

Mots clés libres

Métasurface

Résonateurs optiques

Émulsions

Diffuseurs de Huygens

Metasurface

Optical Resonators

Emulsions

Huygens Scatterers

Résumé

Cette thèse est dédiée à la recherche d'une nouvelle voie de fabrication de métasurfaces optiques en utilisant des approches «bottom-up» basées sur la chimie en milieu liquide et l'auto-assemblage.Dans ce projet, nous utilisons une voie de formulation à base d'émulsion pour synthétiser des agrégats de nanoparticules d'or. La voie de formulation consiste à émulsionner une suspension de nanoparticules d'or dans l'eau en phase huileuse à l'aide de tensioactifs adaptés. Cette étape est suivie par l'évaporation contrôlée de l'eau des gouttelettes sous basse pression pour confiner les nanoparticules dans les amas finaux. La surface des nanoparticules d'or a été préalablement fonctionnalisée afin de conserver leurs propriétés de résonance plasmonique de surface dans l'assemblage final. La structure des agrégats, et plus précisément leur fraction volumique interne en or f, est contrôlée en faisant varier la masse molaire et la densité de surface du polymère de greffage. La structure finale des agrégats est étudiée en utilisant la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS), la microscopie électronique en transmission (MET) et la cryo-microscopie électronique en transmission (cryo-TEM).Les propriétés de diffusion optique des clusters synthétisés sont étudiées en utilisant une configuration de diffusion statique de la lumière (SLS) résolue en polarisation et à angle variable. Les données mesurées sont analysées et comparées à des calculs théoriques et des simulations. L'influence de la taille R et de la fraction volumique f des clusters sur leurs propriétés de diffusion est mise en évidence expérimentalement. La présence de multipôles électriques et magnétiques et leurs contributions aux propriétés de diffusion des agrégats sont démontrées expérimentalement. Les résultats expérimentaux sont en bon accord avec les simulations qui indiquent que les amas de rayon R = 120 nm et de fraction volumique f supérieure à 0,3 présentent des propriétés de diffusion directionnelle exceptionnelles telles que celles attendues pour des diffuseurs de Huygens utilisés pour la fabrication de métasurfaces.

This thesis is dedicated to finding a new route towards the realization of optical metasurfaces using “bottom-up” approaches based on wet chemistry and self-assembly.In this project, we use an emulsion-based formulation route to synthesize clusters of gold nanoparticles. The formulation route involves emulsifying a suspension of gold nanoparticles in water into an oil phase using adapted surfactants. This step is followed by the controlled evaporation of the water from the droplets under low pressure to confine the nanoparticles in the final clusters. The surface of the gold nanoparticles were previously functionalized in order to retain their surface plasmon resonance properties in the final assembly. The structure of the clusters, precisely their internal gold volume fraction f, is controlled by varying the molar mass and surface density of the grafting polymer. The final structure of the clusters isstudied using small angle x-ray scattering (SAXS), transmission electron microscopy (TEM) and cryogenic transmission electron microscopy (cryo-TEM).The optical scattering properties of the synthesized clusters are studied using a variable angle polarization resolved static light scattering (SLS) setup. The data measured using this setup are analyzed and also compared to theoretical calculations and simulations. The influence of the size R and the volume fraction f of the clusters on their scattering properties is experimentally evidenced using the SLS setup. The presence of electric and magnetic multipoles and their contributions to the scattering properties are experimentally demonstrated. The experimental results are in good agreement with the simulations which indicate that clusters with radius R = 120 nm and volume fraction f higher than 0.3 exhibit exceptional directional scattering properties as expected for Huygens scatterers used for the fabrication of metasurfaces.