Nano-Antennes Thermiquement Optimisées: conversion d’énergie aux échelles nanométriques – NATO

Un des défis majeurs auquel la communauté de la nano-optique aura à répondre dans les années à venir sera de concentrer l’énergie lumineuse à l’échelle du nanomètre de façon à créer une nanosource optique ou thermique intense à même d’alimenter les futurs dispositifs. Les nanoparticules métalliques, supportant une résonance plasmon de surface, sont idéales pour de telles applications. De telles nanosources optiques seront bénéfiques pour des applications telles que la détection ultra-sensible de nanoobjets en chimie et biologie par spectroscopie Raman exaltée (SERS) ou hyper-Raman, l’imagerie de fluorescence à haute résolution, l’adressage de micro- ou nanostructures semi- conductrices, et des applications biomédicales. De la même manière, des nanosources thermiques permettent d’envisager le traitement curatif du cancer, la nano-chirurgie, la délivrance de médicaments, les techniques d’imagerie photothermique et photoacoustique, la nano-chimie ou encore l’optofluidique.
Dans le cadre de ce projet, nous voulons utiliser la propriété optique singulière de nanoantenne des nanoparticules métalliques afin de créer des nanosources d’énergie contrôlées. Un des défis majeurs qu’il faudra relever dans les années à venir sera la manipulation et la valorisation de l’énergie thermique aux petites échelles. Ainsi, en parallèle des applications purement nanooptiques, une voie d’application thermoplasmonique se développe des points de vue fondamentaux et applicatifs.
L’objectif principal de ce projet est l’étude et la réalisation de nanosources optiques optimisées thermiquement. C’est à dire des nanosources optiques permettant de localiser la lumière en minimisant le chauffage local ou bien inversement d’augmenter localement la température.
Le projet est divisé en trois tâches scientifiques. La première tâche sera dédiée à la caractérisation et la qualification de différentes techniques de mesure de température aux petites échelles. Ainsi, un étalon de mesure sera développé afin de permettre de quantifier les performances des différentes techniques de mesure développées dans le consortium et surtout de déterminer leur complémentarité. Un important travail de modélisation des signaux délivrés par les différentes techniques sera entrepris de manière à obtenir une mesure de température quantitative, puis à valider expérimentalement les valeurs obtenues à l’aide de l’étalon. La seconde tâche a pour objectif de créer une nanoantenne thermiquement optimisée permettant de coupler efficacement un rayonnement champ lointain en champ proche sans échauffement local. Ceci devrait permettre, à terme, de lever un verrou important des dispositifs de détection basés sur des particules métalliques qui est l’échauffement et la dégradation des analytes à faible concentration. La dernière tâche sera dévolue à la réalisation d’une architecture complexe permettant de maximiser la conversion énergie lumineuse – énergie thermique afin de créer une nanosource thermique intense. Cette nanosource sera, dans un second temps, utilisée afin de produire un gradient de température important, base de l’effet Seebeck, permettant de produire une différence de potentiel à partir d’une différence de température. Enfin, ce type de source sera intégrée sur un dispositif thermoélectrique afin d’améliorer son taux de conversion.
Le projet sera mené à bien en associant les compétences complémentaires de quatre laboratoires : le Laboratoire de Nanotechnologie d’Instrumentation Optique apportera ses compétences en nanofabrication, nano-optique expérimentale et imagerie chimique, l’Institut Langevin son expertise en imagerie thermique par holographie digitale hétérodyne ou Superlocalisation holographique de particules Browniennes, l’Institut Fresnel son expertise en imagerie thermique par mesure de variation de la phase ou de l’anisotropie de fluorescence et l’Institut P’ ses compétences en modélisation du champ proche thermique.