Modulation de la conductance de structures plasmoniques pilotées par la lumière

par Céline Jegat

Projet de thèse en Chimie

Sous la direction de Keitaro Nakatani.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec PPSM - Laboratoire de Photophysique et Photochimie Supramoléculaires et Macromoléculaires (laboratoire) et de Ecole normale supérieure Paris-Saclay (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-09-2018 .


  • Résumé

    Le Laboratoire de Photophysique et Photochimie Supramoléculaires et Macromoléculaires (PPSM, CNRS UMR 8531), situé à l'École Normale Supérieure Paris-Saclay (Cachan) possède une expérience bien établie dans le domaine de la synthèse et de la spectroscopie de nanoparticules hybrides photo-actives présentant des propriétés plasmoniques et photochromes. Le PPSM propose un sujet de recherche pour la conception de dispositifs électroniques macroscopiques présentant des propriétés optiques et de conductance exaltées qui peuvent être modulée par une excitation lumineuse. L'utilisation de nanoparticules métalliques (NPs) pour des dispositifs électroniques est très intéressante car elles possèdent à la fois des propriétés optiques et électriques pouvant être pilotées par la lumière. Ceci est possible grâce aux plasmons de surface (oscillation collective des électrons de conduction) qui donnent naissance localement à des exaltations très fortes du champ électromagnétique local. Cette exaltation se trouve renforcée si un couplage est possible entre ces NPs. Les plasmons de surface étant très sensible à leur environnement direct, il est possible d'utiliser des molécules photochromes comme interrupteur local moléculaire afin de moduler de façon réversible les propriétés photophysiques des organisations de NPs. Le contrôle de l'organisation des NPs étant primordial afin de développer de nouveaux dispositifs, un mélange de techniques bottom-up (fonctionnalisation des NPs par des polyélectrolytes) et top-down (création d'un template par lithographie électronique) est envisagée pour obtenir des assemblages fortement directionnels Le travail de thèse s'orientera selon les trois axes suivants : - Conception, synthèse et organisation de nanoparticules métalliques afin de produire des assemblages millimétriques linéaires - Etude du couplage entre les nanoparticules et cartographie du champ proche par microscopie à photo-émission d'électron. Cette partie se fera en collaboration avec L. Douillard (SPEC, CEA Saclay). - Fonctionnalisation des assemblages par des molécules photochromes et étude de la modulation des propriétés optiques et de conductance. Dans le cadre de ce sujet de recherche, nous proposons de développer un matériau hybride basé sur des unités moléculaires et plasmoniques qui sous l'effet d'un stimulus extérieur, ici la lumière, va permettre d'induire des changements réversibles de ses propriétés électrique (conductance) et optique à l'échelle du millimètre. L'utilisation d'assemblage de NPs devra permettre d'obtenir une amplitude de modulation des propriétés photophysique bien supérieure à ce qui est constaté dans des systèmes composés par des particules isolées. Les candidats doivent avoir une bonne expérience en synthèse de nanoparticules métalliques et concernant les techniques standards de caractérisation. De bonnes bases en spectroscopie d'absorption UV-visible seraient appréciées.

  • Titre traduit

    Conductance switching by plasmonic assisted light


  • Résumé

    The Laboratory of Supramolecular and Macromolecular Photophysics and Photochemistry (PPSM, CNRS UMR 8531), located at École Normale Supérieure Paris-Saclay (Cachan) has a well-established experience in the field of synthesis and spectroscopy of hybrid photoactive nanomaterials based on photochromic molecules and metallic nanoparticles. The PPSM proposes a PhD project to design, build and study macroscopic electronic devices showing optical and conductance properties that can be modulated upon light irradiation. Using metallic nanoparticles (NPs) for electronic devices show many advantages due to their specific optical and electric properties that can be driven by light. This is possible because of the surface plasmon resonance (collective oscillation of the conduction electrons) that gives rise to a great enhancement of the local electromagnetic field. Such enhancement can be increased to higher value if the NPs are closed enough to induce interparticles coupling. Surface plasmons resonance is very sensitive to the local environment, so it is possible to use photochromic molecules as a local photoswitch to reversibly modify these photophysical properties. As the spatial control of the NPs is a key point, the use of mixed bottom-up (functionnalisation of the NPs with polyelectrolytes) and top-down (template made by electron beam lithography) methods is planned in order to obtain large directional assemblies. This PhD fellowship will be dedicated to three different tasks : - Synthesis and organization of the metallic nanoparticles in order to obtain millimeter scale directional assemblies. - Near-field study of the nanoparticles assemblies by photo-emission electron miscoscope. This part will be done in collaboration with L. Douillard (SPEC, CEA Saclay). - Functionalization by photochromic molecules and modulation of the electrical and optical properties of the assemblies. This PhD project proposes to develop an hybrid material exploiting molecular and plasmonic components which by action of an external stimulus, here a light excitation, shows a reversible change of its electrical (conductance) and optical properties at the millimeter scale. The use of NPs assemblies will allow obtaining a higher modulation rate of the photophysical properties than the modulation observed with isolated NPs. Applicants must be well-experienced in synthesis of metallic nanoparticles and standard characterization techniques. Some practice of UV-visible absorption spectroscopy would be appreciated.