Plasmonics

Plasmonique et nano-optique

La plasmonique est une discipline à la frontière entre l’optique et la physique de la matière condensée. Elle s’intéresse aux oscillations collectives des électrons d’un métal qui peuvent être excitées par une onde lumineuse. Il est possible de créer des ondes plasmon à l’interface entre un métal et un isolant comme par exemple à l'interface or/air à la surface d'un film d’or.  On parle alors de plasmon propagatif ou SPP (Surface Plasmon Polariton). Dans les nanoparticules, l’onde plasmon prend une forme différente, on parle de  plasmon localisé ou LSPR (Localized Surface Plasmon Resonance).

Le plasmon localisé, LSPR

Dans les nanoparticules métalliques (de taille allant de 2 à 200 nm typiquement), les LSPR se traduisent par des résonances dans le domaine visible. Il est donc possible de  les exciter avec de la lumière visible, et elles interviennent de manière prépondérante dans les propriétés colorimétriques des nanoparticules. De plus, les LSPR dépendent de la taille et de la forme de la nanoparticule, de son environnement diélectrique (indice optique n) et de la polarisation de la lumière qui les excite.  Pour des nanosphères, les résonances de l’or sont situées autour de 520 nm et varient peu pour des tailles allant de 2 à 50 nm. Pour les nanoparticules allongées, telles que les nano bâtonnets, la résonance plasmon se décale dans le rouge à mesure que le rapport d’aspect augmente. De plus, l’indice optique du milieu environnant  modifie également la résonance plasmon : lorsqu’il augmente, elle se décale vers le rouge. Enfin, la polarisation de la lumière est également importante car il est possible d’exciter plusieurs plasmons dans une même particule :  dans des nano-batonnets, une onde polarisée selon la grande dimension de l’objet va induire un oscillation collective des électrons dans cette direction et donc une résonance dans l’infrarouge alors qu’un onde polarisée dans selon la direction transverse va induire une oscillation dans cette direction ce qui produira une résonance dans le vert. Ces plasmons localisés sont également des objets très intéressant car ils permettent de créer des points chauds. En effet, lors de l’oscillation plasmon, le champ électromagnétique est confiné dans de très petits volumes au voisinage de la nanoparticule, ce qui permet de créer des points chauds électromagnétiques.

Nanothermique

Les nanoparticules d'or sont également utilisées dans le domaine de la nanothermique qui consiste à contrôler et manipuler la température de la matière à l’échelle nanométrique. En effet, une partie de l'énergie lumineuse absorbée lors de la mise en résonance de l'oscillation plasmon est transformée en chaleur. Ce phénomène est localisée sur des volumes de l'ordre de la taille de nanoparticules, c'est-à- dire beaucoup plus réduit que le volume sondé par le faisceau optique d'excitation. Les nanoparticules d’or peuvent jouer le rôle de nano-sources de chaleur manipulables et contrôlables optiquement, et ainsi créer des environnements thermiques nano-structurés.

Des nano-capteurs

 La grande sensibilité de la LSPR à la forme, la taille et l’environnement de la nanoparticule permet d'envisager d'utiliser des nanoparticules d’or comme des capteurs de masse (via la modification des propriétés mécaniques et géométriques du nano-objet  qui modifient ses propriétés optiques plasmoniques) ou comme des capteurs chimiques (via l'exaltation du signal Raman par effet de champ local) et biologiques (via la grande sensibilité de la LSPR à l'environnement diélectrique qui permet détection de la présence de protéines présentes au voisinage de la particule).

 

 

 


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