Spectroscopie optique de nano-objets individuels

• Auteur / Autrice : Rodolphe Jaffiol
• Direction : Anne Débarre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés libres

Microscopie confocale

Spectroscopie Raman

Spectroscopie de fluorescence

Molécules uniques

Nanotubes de carbone

Résumé

L'imagerie optique hyper-spectrale, qui combine la microscopie confocale et la spectroscopie optique, a été utilisée pour étudier des objets individuels de taille nanométrique (nano-objets). Les techniques spectroscopiques retenues ont été la spectroscopie Raman et la spectroscopie de fluorescence. Cette approche s'est montré bien adaptée pour l'étude à température ambiante de deux types de nano-objets, les molécules uniques et les nanotubes de carbone. Notre outil d'imagerie Raman s'est avéré efficace pour localiser les différentes espèces chimiques présentes sur nos échantillons. Entre autre, il a permis d'enregistrer les premiers spectres Raman de nouvelles espèces carbonées, comme des nanotubes remplis de molécules de pérylène ou de métallo-fullerènes (peapods). Les spectres Raman des peapods ainsi obtenus, ont révélé l'existence de processus de transfert de charge entre le tube et les métallo-fullerènes, ainsi que la polymérisation des métallofullerènes à l'intérieur des tubes. L'utilisation de surfaces nano-structurées métalliques est un point clé de ces études. D'une part, elles permettent d'exalter fortement le signal de diffusion Raman, rendant ainsi possible la détection de nano-objets en quelques secondes. D'autre part, elles accroissent la sélection spatiale du microscope, ce qui permet d'isoler le signal d'une entité unique. Ainsi, il a été possible d'étudier le signal Raman de molécules uniques ou de nanotubes uniques. J'ai alors mis en évidence certaines des caractéristiques du phénomène d'exaltation locale, son confinement au voisinage des nano-structures et le rôle joué par les irrégularités de surface, telles que les interstices et les protubérances.

Single nanoobjects were studied by hyperspectral optical imaging, which associates a scanning confocal microscope with an optical spectroscopy unit. We choose to perform fluorescence spectroscopy and Raman spectroscopy. At room temperature, such spectroscopic approach has proven to be well adapted to study two different nanoobjects, as single molecules and carbon nanotubes. Our Raman imaging set-up is an efficient tool to localize different chemical species in a sample. Thus, we recorded the first Raman spectra of new carbon species, single wall carbon nanotubes which encapsulated several perylene molecules or dimetallofullernes (peapods). For peapods, we demonstrate from Raman spectre a charge transfer process between the nanotubes and the metallofullerenes, and in many cases their polymerization inside the tubes. Metallic nanostructured surfaces are usually required in this kind of experiments. In fact, we observed an enhancement of the Raman scattering with these surfaces, high enough to record the Raman scattering from a single nanoobject in few seconds. Also, they improve the spatial selection of the confocal microscope, that permit the selection of single nanoobjects. In this way, we studied single molecules and single carbone nanotubes. Then, I bring out some characteristics of the enhancement process. In particular, this enhancement is only efficient at the vicinity of the nanostructure. The surface morphology of the nanostructure must also exhibit some protrusions, or interstices.