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Synthèse et caractérisation optique de nano-objets plasmoniques d'or ou d'aluminium couplés avec un matériau thermochrome.

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Frenkel, Sébastien (2021). Synthèse et caractérisation optique de nano-objets plasmoniques d'or ou d'aluminium couplés avec un matériau thermochrome. Mémoire. Québec, Maîtrise en sciences de l’énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 116 p.

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Résumé

Les nano-objets (NOs) métalliques d'or ou d'aluminium sous irradiation lumineuse ont la capacité de se comporter comme des sources nanométriques de chaleur efficaces grâce au phénomène de résonance de plasmon de surface localisé (LSPR). Par ailleurs, les matériaux thermochromes tels que l'oxyde de vanadium (V0₂) présentent une transition de phase isolant-métal lorsque leur température augmente ou lorsqu'ils sont éclairés par des impulsions lumineuses ultra-courtes. En combinant les propriétés de NOs plasmoniques et celles de couches minces de V0₂, il est possible de développer des dispositifs hybrides avec de nouvelles fonctionnalités optoélectroniques pouvant être contrôlées soit optiquement, soit thermiquement. Dans cette étude préliminaire, nous avons fait varier le matériau constituant les NOs (or ou aluminium), la forme (nanodisques ou nanobâtonnets) et les dimensions des NOs. Trois différentes configurations sont étudiées, grâce à différentes techniques de nanofabrication, notamment la lithographie par faisceau d'électrons, la synthèse par ablation laser et la gravure par plasma. La première consiste en des NOs synthétisés sur la surface de la couche mince de V0₂. Dans la seconde, il s'agit de NOs insérés dans des trous gravés dans le V0₂. Enfin, pour la troisième, nous avons d'abord fabriqué les NOs sur un substrat de quartz qui sont recouverts par la suite par une couche mince de V0₂. Les premières caractérisations optiques montrent une forte modulation de la LSPR selon ces caractéristiques morphologiques ainsi qu'un plus fort échauffement photo-induit pour les configurations deux et trois, grâce à une interaction plus forte entre le V0₂ et les NOs. De plus, en faisant varier la longueur d'onde incidente, nous démontrons le lien entre le spectre de LSPR et l'efficacité de la photoconversion. Enfin, la transition de phase du V0₂ est observée sous éclairement d'intensité suffisante.

Abstract

Gold or aluminum nanoparticles (NPs) under light irradiation tuned to their localized surface plasmon resonance (LSPR) have the ability to behave as efficient nanoscale heat sources through a series of energy exchange phenomena. Furthermore, thermochromic materials such as vanadium oxide (V0₂) exhibit an insulator-metal phase transition when their temperature increases or when illuminated by ultrashort light pulses. By combining the properties of plasmonic NPs and V0₂ thin films, it is possible to develop hybrid devices with novel photonic or optoelectronic functionalities that can be controlled optically. Our objective is to generate the ultrafast phase transition of V0₂ over a very short range around plasmonic nanoparticles by using ultrashort laser pulses tuned to their LSPR. In the preliminary study presented here, we have varied the material constituting the NPs (gold or aluminum), the shape (nanodisks or nanorods) and the dimensions of the NPs. Thin films of plasmonic NPs surrounded by V0₂ have been elaborated with millimeter side dimension. Three different configurations are investigated, using different nanofabrication techniques, including electron beam lithography, laser ablation synthesis and plasma etching. The first consists of NPs synthesized on the surface of the V0₂ thin film (1). The second consists of NPs inserted in holes etched in the V0₂ (2). Finally, for the third, we first fabricated the NPs on a quartz substrate and then covered them with a thin layer of V0₂ (3). The first optical measurements show a strong modulation of the LSPR according to these morphological characteristics as well as a stronger photoinduced heating for the configurations (2) and (3), thanks to a stronger interaction between the V0₂ and the NPs. Moreover, by varying the incident wavelength, we demonstrate the link between the LSPR spectrum and the photoconversion efficiency. Finally, the phase transition of V0₂ is observed under ultrashort laser pulse illumination of sufficient intensity.

Type de document: Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Chaker, Mohamed
Co-directeurs de mémoire/thèse: Palpant, Bruno
Mots-clés libres: plasmonique; oxyde de vanadium (V0₂); nanoparticules; ablation laser; photoconversion; résonance de plasmon de surface localisé (LSPR); plasmonic; vanadium oxide (V0₂); nanoparticules; laser ablation; photoconversion; localized surface plasmon resonance (LSPR)
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 04 mars 2022 19:17
Dernière modification: 04 mars 2022 19:17
URI: https://espace.inrs.ca/id/eprint/12488

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