CE30 - Physique de la matière condensée et de la matière diluée

Transferts d'énergie ultrarapide dans les nano-objets individuels – ULTRASINGLE

Transfert d’énergie ultrarapide dans les nano-objets individuels

L’objectif général du projet ULTRASINGLE est de contribuer à une meilleure connaissance des mécanismes de transfert d’énergie survenant à l’échelle nanométrique, grâce à la réalisation d’expériences de spectroscopie optique résolue en temps sur des nano-objets métalliques et nano-hybrides individuels synthétisés spécialement pour le projet, complétées par des simulations numériques permettant une interprétation la plus quantitative possible des mesures effectuées.

Objectifs généraux et spécifiques du projet

Les modalités des transferts d'énergie à l'échelle nanométrique diffèrent nettement de celles à l'échelle macroscopique, notamment à cause du rôle accru joué par les interfaces. La réflexion partielle des phonons aux interfaces induit en particulier des résistances thermiques qui jouent un rôle central à l'échelle nanométrique, et le transport des phonons devient également balistique aux échelles plus petites que leur libre parcours moyen. Comprendre et maîtriser ces mécanismes est crucial dans de nombreux domaines tels que l'électronique et la thermoélectricité, ou pour utiliser les nanoparticules pour l'imagerie et la détection biologiques. Dans ce contexte, le projet ULTRASINGLE poursuit deux objectifs spécifiques :<br />1) Comprendre et optimiser les facteurs de qualité vibrationnels des nano-objets.<br />La réalisation de ce premier objectif requiert notamment de mieux comprendre et minimiser deux sources distinctes d’amortissement vibrationnel : le rayonnement acoustique des nano-objets dans leur environnement et les mécanismes internes d’amortissement liés notamment aux défauts cristallins.<br />2) Etudier les modalités des transferts thermiques internes dans un nano-hybride.<br /> Cet objectif requiert la synthèse de nano-hybrides constitués de composants métalliques différents, séparés par une fine couche diélectrique, et la réalisation d’expériences de spectroscopie optique ultrarapide permettant d’exciter et de sonder sélectivement les différents constituants des nano-hybrides étudiés.

Les objectifs du projet sont poursuivis en exploitant les expertises uniques et complémentaires des trois partenaires dans les domaines de la synthèse de nano-objets, de la spectroscopie optique et de la modélisation des processus ultrarapides impliquant les nanoparticules. Le projet requiert notamment la réalisation de mesures de spectroscopie optique résolue en temps sur des nano-objets individuels (synthétisés spécialement pour le projet). Cette approche est basée sur l'excitation soudaine d'une nanoparticule par une impulsion lumineuse dite de pompe, et le suivi de la dynamique de relaxation induite (thermalisation interne, vibrations acoustiques amorties, refroidissement) à travers les modifications transitoires de la réponse optique des nanoparticules étudiées, mesurées par une impulsion de sonde décalée temporellement.

*La possibilité d’obtenir des facteurs de qualité vibrationnels élevés pour des nano-objets supportés sur un substrat a pu être reliée à des phénomènes de couplage radiatif entre deux modes de vibration distincts des nano-objets. Cette possibilité avait déjà été mise en évidence dans un travail antérieur réalisé à l’ILM et publié en 2018, mais son origine physique n’avait pas été bien comprise à l’époque. *De nombreuses expériences de spectroscopie optique résolue en temps ont pu être réalisées sur des nanodisques d’or individuels déposés sur différents substrats solides. Elles ont mis en évidence la très forte dépendance de ces dynamiques vis-à-vis des propriétés (composition, épaisseur) des substrats utilisés, qui n’avait pas été anticipée au moment de la rédaction du projet. *La possibilité d’encapsuler une nanoparticule d’argent par une couronne de silice très fine (quelques nanomètres d’épaisseur), mise en avant dans le projet, a pu être démontrée expérimentalement.

La synthèse des nano-hybrides nécessaires à la réalisation de l’objectif 2) a pu être réalisée avec succès. Cette synthèse ouvre la voie à la caractérisation du transfert thermique entre deux nanoparticules métalliques distinctes séparées par un espaceur diélectrique nanométrique, qui constituerait un résultat majeur dans le domaine de la nanothermique.

Articles dans des revues à comité de lecture: 1. Electron and Lattice Heating Contribution to the Transient Optical Response of a Single Plasmonic Nano-Object; R. Rouxel, M. Diego, P. Maioli, N. Lascoux, F. Vialla, F. Rossella, F. Banfi, F. Vallée, N. Del Fatti et A. Crut;
The Journal of Physical Chemistry C 125, 23275-23286 (2021) doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c06629 (Etude expérimentale et théorique des échanges d'énergie internes dans un nano-objet individuel et de la réponse optique transitoire associée)
2. Substrate-supported nano-objects with High vibrational Quality Factors; A. Crut ;Journal of Applied Physics 131, 244301 (2022) doi.org/10.1063/5.0093585
(Elucidation des conditions nécessaires pour créer des modes de vibration peu amortis)

Les modalités du transfert d’énergie aux échelles nanométrique et macroscopique diffèrent à cause du rôle accru des interfaces et du transport balistique des phonons dans le premier cas, dont la description fondamentale est requise dans des domaines tels que l’électronique, la thermoélectricité, l’imagerie biologique ou la détection. Le projet proposé vise à la fois à optimiser les facteurs de qualité vibrationnels de nanorésonateurs à base de nanoparticules métalliques (en déterminant et minimisant leurs sources d’amortissement intrinsèque) et à caractériser le transport des phonons dans des couches fines séparant deux composants métalliques distincts, respectivement utilisés comme radiateur et thermomètre. Le consortium formé pour cela réunit trois partenaires avec des expertises complémentaires : la synthèse de nanoparticules d’or mono cristallines et de nanohybrides métal-diélectrique, et leur spectroscopie optique résolue en temps à l’échelle de la particule unique.

Coordinateur du projet

Monsieur Aurelien CRUT (INSTITUT LUMIERE MATIERE)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ILM INSTITUT LUMIERE MATIERE
NIMBE Nanosciences et innovation pour les matériaux, la biomédecine et l'énergie
ICMCB INSTITUT DE CHIMIE DE LA MATIERE CONDENSEE DE BORDEAUX

Aide de l'ANR 367 117 euros
Début et durée du projet scientifique : - 48 Mois

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