Études par spectroscopie EELS de nanobulles d'hélium et de nanoparticules bimétalliques or-argent (Au@Ag)

Study by EELS of helium nano-bubbles and gold-silver nanoparticles (Au@Ag)

• Auteur / Autrice : Farah Attouchi
• Direction : Odile Stéphan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/11/2014
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Karine Masenelli-Varlot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Odile Stéphan, Karine Masenelli-Varlot, Philippe Moreau, Nicolas Menguy, Michael Walls, Dario Taverna
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Moreau, Nicolas Menguy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoparticules

Spectroscopie de perte d'énergie des électrons

Microscopie électronique à balayage et en transmission

Mots clés libres

EELS

STEM

Lowloss

Bulles d'hélium

Nanoparticules

Technique d'analyse multivariée

Analyse par composantes principales

Analyse par composante indépendante

EELS

STEM

Lowloss

Helium bubbles

Nanoparticles

MVA

PCA

ICA

Résumé

Ce travail de thèse porte sur l'exploitation de la spectroscopie des pertes d'énergie des électrons,(EELS) résolue spatialement pour l'étude de systèmes de dimensions nanométriques. Cette technique étant réalisée avec un microscope électronique en transmission et à balayage, on parle d'expérience STEM-EELS dont le principal avantage est de permettre à la fois une caractérisation morphologique à l'échelle nanométrique et l'accès à une grande variété d'informations sur les propriétés physiques et chimiques des systèmes étudiés. Nous présentons ainsi deux cas d'étude portant sur : des nanobulles d'hélium confinées dans des matrices à base de fer et des nanoparticules métalliques or-argent de structure coeur- coquille. Ces deux études se basent sur le couplage entre imagerie microscopique à l'échelle nanomètrique et spectroscopie EELS en perte proche (Low-loss EELS).La première étude permet de sonder les densités et les pressions des bulles d'hélium en fonction de leur tailles en s'appuyant sur la détection et l'étude, bulle par bulle, du seuil K de l'hélium. Les résultats sont globalement en accord avec d'autres études dans le domaine, mais des densités très basses en hélium (<10 at nmˉ³) ont été mesurées de façon fiable pour la première fois.la deuxième étude concerne l'exploration des propriétés plasmoniques des nanoparticules bimétalliques Au@Ag en sondant les énergies et les localisations des modes plasmon de surface. On trouve un accord excellent entre les expériences et les calculs par éléments finis pour les positions des modes plasmon. La coquille en Ag semble déterminer leurs énergies, avec le coeur en Au ayant apparemment peu d'effet.Une part importante de ce travail concerne le développement des méthodologies d'acquisition et de traitement des données. Tout particulièrement l'utilisation des techniques d'analyses mutivariés (MVA) pour améliorer la détection de l'hélium dans les bulles.

This thesis describes the application of high spatial resolution electron energy-loss spectroscopy (EELS) to the nanometre scale analysis of two rather di#erent types of sam- ple. EELS performed in the scanning transmission electron microscope (STEM) is known as STEM-EELS and offers the possibility of performing morphological characterisations simultaneously with access to a wide variety of information on the physical and chemical properties of the systems under study. Our two areas of study are nano-bubbles of helium in iron-based alloys and core-shell Au-Ag nano-particles. Both systems are studied via electron microscopic imaging and low-loss EELS (i.e. the spectral range below 50 eV). In the first case the helium densities and pressures in the bubbles are measured as a function of their size and the conditions in which they are generated, via the examination of the intensity and spectral position of the He-K excitation. The results are in broad agreement with othe studies in the field, but particularly lowhelium densities (< 10 at nmˉ³) have been reliably measured here for the first time.The second case concerns the exploration of the bi-metallic nano-particles plasmonic properties via the study of the surface plasmon mode energies and spatial localisations. Excellent agreement is found between experiment and finite element calculations for the plasmon modes. The outer Ag shell essentially fixes their energies, the Au core apparently having little effect.An important part of this work concerns the application of novel acquisition and data analysis methods. In particular the use of multivariate statistical analysis (MVA) is shown to facilitate the detection and quantification of helium in the bubbles.