Nanostructures métalliques organisées par auto-assemblage de polymère pour la détection d’espèces chimiques

par Maher Khanafer

Thèse de doctorat en Optique et Nanotechnologies

Sous la direction de Safi Jradi et de Tayssir Hamieh.

Soutenue le 19-02-2015

à Troyes en cotutelle avec l'Université Libanaise , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Troyes, Aube) , en partenariat avec Institut Charles Delaunay / ICD (laboratoire) .

Le président du jury était Joumana Toufaily.

Le jury était composé de Safi Jradi, Tayssir Hamieh, Joumana Toufaily, Jean-Jacques Gaumet, Fawaz El Omar, Suzanna Akil, Pierre-Michel Adam.

Les rapporteurs étaient Jean-Jacques Gaumet, Fawaz El Omar.

mots clés

• Autoassemblage
• Résonance plasmonique de surface
• Matériaux nanostructurés
• Raman, Effet augmenté en surface
• Capteurs optiques
• Autoassemblage
• Résonance plasmonique de surface
• Matériaux nanostructurés
• Raman, Effet augmenté en surface
• Capteurs optiques

Résumé

Les avancées récentes de la nanofabrication ont permis de faire émerger un nouveau champ de recherche, celui des nanocapteurs. En particulier, le nanocapteur plasmonique dont le principe utilise l’effet SERS (Diffusion Raman Exaltée de Surface) commence à s’imposer. En effet, ce capteur permet d’amplifier la signature d’une molécule jusqu’à un facteur de 1012 et fournit une véritable empreinte digitale de chaque molécule. La sensibilité du capteur dépend des propriétés optiques des Nanoparticules Métalliques (NPMs) qui sont liées aux propriétés physiques et structurales de ces dernières. Ainsi, la maîtrise de la fabrication de NPMs est un réel défit pour des multiples applications nanotechnologiques. Dans ce contexte, nous avons développé une approche originale de fabrication de NPMs organisées par auto-assemblage de polymère. Il s’agit d’introduire de manière contrôlée des interactions physiques qui se manifestent lors de la fabrication par une nano-séparation de phase au sein du matériau. Ceci se traduit par un nanstructuration du polymère et une auto-organisation très spécifique du précurseur métallique qui se transforme spontanément en NPMs. Les investigations expérimentales en considérant les différents facteurs physico-chimiques impliqués, nous ont permis d’identifier les paramètres clés de cette structuration et de hiérarchiser leur influence sur les dimensions structurales et la réponse optique des NPMs. Finalement, la capacité du nanocapteur à détecter de faibles traces (<10-13 M) de polluants organiques a été démontrée

mots clés

• Self-assembly (Chemistry)
• Surface plasmon resonance
• Nanostructured materials
• Raman effect, Surface enhanced
• Optical detectors

Titre traduit

Organized metallic nanostructures via polymer self-assembly for enhanced chemical detection

Résumé

The recent advances in nanofabrication techniques have allowed for the emergence of novel sensing approaches. Amongst these various approaches, Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) via the use of plasmonic substrates has received wide-spread attention due to its many interesting proper-ties. In fact, plasmonic substrates enhance the Ra-man signal up to 12 orders of magnitude, paving the path for single molecule detection. Nevertheless, the sensitivity of this technique is strongly affected by the physical and structural properties of the metallic nanoparticles (MNPs). Thus, the mastering of the MNPs fabrication is a major challenge for various nanotechnological applications.In this context, we have developed a novel approach for the fabrication of organized NMPs through poly-mer self-assembly. The fabrication technique con-sists on controlling the physical interactions which occur during the fabrication through a nanophase separation in the polymer solution. This results in a nanostructuring of the polymer and a strong self-organization of the metallic precursor which is rapidly reduced into the MNPs. Experimental investigations of the different physical and chemical processes in play allow for a better understanding of the various keystone parameters of the nanostructuring as well as for determining their influences on the dimensions and optical response of MNPs. Finally, the fabricated plasmonic substrate demonstrated SERS limits of detection down to 10-13 M