UNE PLATEFORME NANOPLASMONIQUE HYBRIDE EMETTEUR-COLLOÏDE METALLIQUE – HYBNAP

Les propriétés optiques des nanoparticules luminescentes comme les points quantiques (QD) ou les centres NV dans les nanodiamants (ND) ont été largement étudiées en solution, isolés sur des substrats ou couplés à des colloïdes métalliques. Pourtant, des études ont été réalisées avec des techniques macroscopiques et limitées par la diffraction. Une exception notable est la cathodoluminescence (CL) de QD isolés et, plus récemment, de nanodiamants.

Le projet HYBNAP propose d'étudier avec une résolution de 1 nm des structures hybrides faites par couplage de nanoparticules d'or aux propriétés modales plasmoniques bien définies avec des colloïdes luminescents par spectroscopie de perte d'énergie électronique (EELS), CL et émission sous microscope à effet tunnel (PSTM). HyBNAP consacrera une attention particulière à la construction des structures hybrides émetteur-métal de géométrie contrôlée en combinant synthèse colloïdale et auto-assemblage avec des effets template avancés de substrats à motifs sub-10 nm. Une modélisation théorique et des simulations numériques sont mises en œuvre pour interpréter les données expérimentales. Ce programme de recherche largement interdisciplinaire vise une précision spatiale sans précédent combinée avec une analyse spectrale, grâce à une plate-forme flexible créée pour étudier et moduler les propriétés optiques des systèmes hybrides émetteur / métal. Le travail est réalisé par une équipe solide qui combine des expertises en chimie colloïdale et auto-assemblage (CEMES Toulouse & SCR Rennes, Fr), nanofabrication ultime (SUTD Singapour), modélisation et simulations nanoplasmoniques (IHPC Singapour & CEMES) et nanocaractérisation optique (IMRE Singapour & CEMES).

HybNaP étudie d'abord la cartographie, avec une précision nanométrique, des distributions modales des plasmons de surface (SP) dans une série de nanoparticules et structures cristallines 1D ou 2D produites par CEMES et SCR par EELS à IMRE. Les résultats sont comparés à des mesures optique linéaires et non-linéaire qui ont récemment permis de sonder la densité locale des états plasmoniques (SP-LDOS). Ils sont confrontés à des modèles théoriques grâce à des outils de simulation numériques basés sur les éléments finis ou la méthode dyadique 3D-Green. En 2015, des travaux préliminaires par IMRE et CEMES ont conduit à une publication Nature Mater. IMRE est l'un des rares endroits au monde où des mesures combinées EELS / CL sont possibles. La CL mesure la corrélation entre excitation électronique locale et émission de photons. En parallèle, l'excitation d'électrons de faible énergie avec un confinement spatial similaire est développée au CEMES en enregistrant la luminescence sous excitation par pointe STM. Les données seront comparées aux mesures EELS et aux spectres d'émission simulés par IHPC.

Les structures hybrides constituées de colloïdes d'or et de QD ou ND seront synthétisées au CEMES et au SCR par couplage moléculaire. Des protocoles restreignant l'assemblage à des dimères et petits oligomères seront ciblés. Alternativement, une approche d'épitaxie colloïdale dans laquelle des bâtonnets semiconducteurs servent de substrats pour la croissance de colloïdes métalliques aux extrémités sera explorée. Des structures hybrides de complexité croissante seront obtenues par dopage de réseaux de chaines de nanoparticules avec des QD ou des ND.
Enfin, le projet cherchera à produire des structures hybrides ayant une meilleure topologie par combinaison de la chimie colloïdale avec la lithographie électronique à haute résolution. Cette approche mixte permettra de positionner l'émetteur aux ventres de la distribution modale plasmonique soit là où la SP-LDOS est intense. Ces structures seront étudiées en champs proches et lointain. Des simulations guideront leur conception en vue d'exciter des modes plasmons sombres qui sont autrement inaccessibles, conduisant ainsi à des matériaux hybrides ayant des propriétés optiques uniques et accordables.