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Synthèse et caractérisation optique de nanoparticules d’or couplées avec un matériau thermochrome dopé au tungstène.

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Bizeray, Elène (2022). Synthèse et caractérisation optique de nanoparticules d’or couplées avec un matériau thermochrome dopé au tungstène. Mémoire. Québec, Maîtrise en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 119 p.

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Résumé

Les nanoparticules d’or sous irradiation lumineuse sont le siège du phénomène de résonance de plasmon de surface localisé (LSPR) et peuvent agir comme sources thermiques locales en convertissant l’énergie lumineuse absorbée en chaleur. Les matériaux thermochromes présentent une transition de phase d’un état isolant vers un état métallique à une température de transition TIMT. Dans le cas du dioxyde de vanadium, la valeur de la TIMT est de 68°C. Ce changement de phase est accompagné par une variation importante de la transmission, en particulier dans le domaine de l’infrarouge et par celle de la résistivité électrique. En couplant des nanoparticules d’or avec un matériau thermochrome, il est alors possible de concevoir des dispositifs contrôlables optiquement. Cependant, pour faciliter le développement d’applications à base de VO₂ et de nano-objets plasmoniques, il faudrait induire la transition de phase à une température inférieure à 68°C. Ceci est rendu possible grâce au dopage du VO₂. Le tungstène est considéré comme un des dopants métalliques les plus efficaces. En effet, il permet d’abaisser la température de transition de l’ordre de 24°C/at.%. Dans ce travail, plusieurs configurations de couplage entre les nanoparticules d’or et le dioxyde de vanadium dopé au tungstène sont explorées pour la première fois et les résultats sont comparés au matériau non dopé. La synthèse des couches minces de VO₂ et de VO₂ dopé au tungstène est réalisée par ablation laser pulsée en configuration « faisceaux croisés » pour obtenir une couche d’excellente qualité. La fabrication des différents réseaux d’or fait appel à différentes techniques de nanofabrication à savoir, la lithographie par faisceau d’électron, la gravure par plasma et l’évaporation. Par la suite, ces différents réseaux ont été caractérisés optiquement soit la détermination de la variation de leur absorbance en fonction de la longueur d’onde. Ces réseaux consistent, en particulier, de plots d’or de 50 nm à 200 nm, distancés de 250 nm et déposés sur ou incorporés dans des couches minces d’oxyde de vanadium dopé. Ces mesures optiques confirment la modulation de la LSPR selon les différentes configurations de couplage. Elles permettent aussi de mettre en évidence l’efficacité du dopage pour atteindre des températures de transition proches de la température ambiante.

Gold nanoparticles under light irradiation are the seat of the localized surface plasmon resonance (LSPR) phenomenon and can act as local heat sources by converting absorbed light energy into heat. Thermochromic materials exhibit a phase transition from an insulating state to a metallic state at a transition temperature TIMT. In the case of vanadium dioxide, the value of TIMT is 68°C. This phase change is accompanied by an important variation of the transmission, in particular in the infrared range, and by that of the electrical resistivity. By coupling gold nanoparticles with a thermochromic material, it is then possible to design optically controllable devices. However, to facilitate the development of applications based on VO₂ and plasmonic nano-objects, it would be necessary to induce the phase transition at a temperature below 68°C. This is made possible by doping the VO₂. Tungsten is considered as one of the most efficient metallic dopants. Indeed, it allows lowering the transition temperature of about 24°C/at.%. In this work, several coupling configurations between gold nanoparticles and tungsten doped vanadium dioxide are explored for the first time and the results are compared to the undoped material. The synthesis of VO₂ and tungsten doped VO₂ thin films is performed by pulsed laser ablation in a "crossed beam" configuration to obtain a layer of excellent quality. The fabrication of the different gold gratings uses different nanofabrication techniques such as electron beam lithography, plasma etching and evaporation. Thereafter, these various networks were optically characterized by determining the variation of their absorbance according to the wavelength. These gratings consist, in particular, of gold dots of 50 nm to 200 nm, spaced 250 nm apart and deposited on or incorporated in thin layers of doped vanadium oxide. These optical measure ments confirm the modulation of the LSPR according to the different coupling configurations. They also allow highlighting the efficiency of the doping to reach transition temperatures close to room temperature.

Type de document: Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Chaker, Mohamed
Co-directeurs de mémoire/thèse: Palpant, Bruno
Mots-clés libres: plasmonique; nanoparticules d’or; thermochrome; dioxyde de vanadium dopé au tungstène et non dopé; détermination de l’absorbance; plasmonics; gold nanoparticles; thermochromic; tungsten-doped and undoped vanadium dioxide; absorbance determination
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 07 déc. 2022 21:05
Dernière modification: 24 janv. 2023 15:09
URI: https://espace.inrs.ca/id/eprint/13124

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