Plasmonique, un outil pour l'ingénierie du champ électromagnétique aux petites échelles : Manipulation du champ proche optique

At nanometer scale, the metallic particles exhibit new optical properties related to the surface plasmon resonance phenomenon. A plasmon resonance is a collective and coherent oscillation of the conduction electrons at a metallic nanoparticle surface under an external electromagnetic field. The resonance wavelength and the spatial distribution of the associated electromagnetic field depend on the nanoparticle characteristics (size, shape and chemical nature), the surrounding dielectric medium and the illumination geometry.The excitation of surface plasmons generates local electromagnetic fields of high intensity located at specific points of the nanoparticle called "hot spots". The light is miniaturized and confined in sub-wavelength areas (<20 nm). The ability to produce and control hot spots holds great promise for a large range of applications from information technology to renewable energies and biomedicine. This thesis highlights the possibility of generating and manipulating hot spots in nanostructures throughout the particle geometry or/and the configuration and wavelength of the exciting light. To do this, the optical response of various metallic nano-objects of different geometries and sizes, taken individually: cube, prism ... or in groups: dimer, chain ... are studied by PhotoEmission Electron Microscopy (PEEM), a non-intrusive and high resolution (20 nm) mapping technique allowing a selective addressing of plasmons modes. In addition to this experimental investigation, the search for a specific optical near-field distribution is also carried out using group theory. We developed an original theoretical method allowing to predict in a few minutes the plasmonic response of a 2D or 3D particle, of finite or infinite symmetry, alone or in dimer, from the object and exciting field symmetries. In parallel, numerical simulations using the Boundary Element Method (BEM) have been carried out.À l'échelle nanométrique, les particules métalliques présentent de nouvelles propriétés optiques liées au phénomène de résonance plasmon de surface. Une résonance plasmon est une oscillation collective et cohérente des électrons de conduction à la surface d'une nanoparticule métallique sous l'influence d'un champ électromagnétique extérieur. La longueur d'onde de cette résonance ainsi que la distribution spatiale du champ électromagnétique associé dépendent des caractéristiques de la nanoparticule (taille, forme et nature chimique), du milieu diélectrique hôte et de la géométrie d'illumination. L’excitation de plasmons de surface génère des champs électromagnétiques locaux de fortes intensités, localisés en des points spécifiques de la nanoparticule, appelés «points chauds». La lumière est ainsi miniaturisée et confinée dans des espaces de taille sub-longueur d’onde (<20nm). La possibilité de produire et de contrôler ces points chauds augure d'importantes réalisations dans un large éventail de domaines d'applications allant des technologies de l'information aux énergies renouvelables, tout en passant par la biomédecine. Ce travail de thèse met en évidence la possibilité de générer et de manipuler des points chauds au niveau de structures de taille nanométrique par effet de la géométrie de la nanostructure métallique ou bien de la configuration et de la longueur d’onde de la lumière excitatrice. L’objectif est de manipuler la lumière à petite échelle afin de contribuer au développement de nouvelles technologies d’origine plasmonique. A cet égard, les réponses optiques de nano-objets métalliques de différentes géométries et tailles, pris individuellement : cube, prisme… ou en groupes: dimère, chaîne… sont étudiées par microscopie de photoémission d'électrons PEEM (PhotoEmission Electron Microscopy), une technique de cartographie haute résolution (20 nm), non intrusive, permettant un adressage sélectif des modes plasmons.Par ailleurs et également dans le cadre de ce travail, une méthode analytique de description du champ proche optique, basée sur la théorie des groupes, a été développée. Cette méthode permet de prédire et d’interpréter en quelques minutes le comportement plasmonique d’une particule à 2D ou 3D, de symétrie finie ou non, seules ou en dimères, à partir des symétries de l’objet et du champ excitateur. En complément, des simulations numériques par la méthode des éléments frontières BEM (Boundary Element Method) ont été effectuées

Plasmonics, a Tool for the Engineering of the Near Optical Field at the Nanometer Scale : Optical Near Field Manipulation

À l'échelle nanométrique, les particules métalliques présentent de nouvelles propriétés optiques liées au phénomène de résonance plasmon de surface. Une résonance plasmon est une oscillation collective et cohérente des électrons de conduction à la surface d'une nanoparticule métallique sous l'influence d'un champ électromagnétique extérieur. La longueur d'onde de cette résonance ainsi que la distribution spatiale du champ électromagnétique associé dépendent des caractéristiques de la nanoparticule (taille, forme et nature chimique), du milieu diélectrique hôte et de la géométrie d'illumination. L’excitation de plasmons de surface génère des champs électromagnétiques locaux de fortes intensités, localisés en des points spécifiques de la nanoparticule, appelés «points chauds». La lumière est ainsi miniaturisée et confinée dans des espaces de taille sub-longueur d’onde (<20nm). La possibilité de produire et de contrôler ces points chauds augure d'importantes réalisations dans un large éventail de domaines d'applications allant des technologies de l'information aux énergies renouvelables, tout en passant par la biomédecine. Ce travail de thèse met en évidence la possibilité de générer et de manipuler des points chauds au niveau de structures de taille nanométrique par effet de la géométrie de la nanostructure métallique ou bien de la configuration et de la longueur d’onde de la lumière excitatrice. L’objectif est de manipuler la lumière à petite échelle afin de contribuer au développement de nouvelles technologies d’origine plasmonique. A cet égard, les réponses optiques de nano-objets métalliques de différentes géométries et tailles, pris individuellement : cube, prisme… ou en groupes: dimère, chaîne… sont étudiées par microscopie de photoémission d'électrons PEEM (PhotoEmission Electron Microscopy), une technique de cartographie haute résolution (20 nm), non intrusive, permettant un adressage sélectif des modes plasmons.Par ailleurs et également dans le cadre de ce travail, une méthode analytique de description du champ proche optique, basée sur la théorie des groupes, a été développée. Cette méthode permet de prédire et d’interpréter en quelques minutes le comportement plasmonique d’une particule à 2D ou 3D, de symétrie finie ou non, seules ou en dimères, à partir des symétries de l’objet et du champ excitateur. En complément, des simulations numériques par la méthode des éléments frontières BEM (Boundary Element Method) ont été effectuées.At nanometer scale, the metallic particles exhibit new optical properties related to the surface plasmon resonance phenomenon. A plasmon resonance is a collective and coherent oscillation of the conduction electrons at a metallic nanoparticle surface under an external electromagnetic field. The resonance wavelength and the spatial distribution of the associated electromagnetic field depend on the nanoparticle characteristics (size, shape and chemical nature), the surrounding dielectric medium and the illumination geometry.The excitation of surface plasmons generates local electromagnetic fields of high intensity located at specific points of the nanoparticle called "hot spots". The light is miniaturized and confined in sub-wavelength areas (<20 nm). The ability to produce and control hot spots holds great promise for a large range of applications from information technology to renewable energies and biomedicine. This thesis highlights the possibility of generating and manipulating hot spots in nanostructures throughout the particle geometry or/and the configuration and wavelength of the exciting light. To do this, the optical response of various metallic nano-objects of different geometries and sizes, taken individually: cube, prism ... or in groups: dimer, chain ... are studied by PhotoEmission Electron Microscopy (PEEM), a non-intrusive and high resolution (20 nm) mapping technique allowing a selective addressing of plasmons modes. In addition to this experimental investigation, the search for a specific optical near-field distribution is also carried out using group theory. We developed an original theoretical method allowing to predict in a few minutes the plasmonic response of a 2D or 3D particle, of finite or infinite symmetry, alone or in dimer, from the object and exciting field symmetries. In parallel, numerical simulations using the Boundary Element Method (BEM) have been carried out

Near-Field Localization of Single Au Cubes: A Group Theory Description

International audienceA simple group theory approach is proposed to predict the charge distribution of low order localized surface plasmon resonances (LSPRs) of finite metallic particles of basic geometries. As an illustration, the case of randomly oriented Au colloidal particles of cubic C$_{4v}$ symmetry excited at dipolar resonance is presented. The symmetry approach is confirmed by numerical simulations carried out by the $boundary$ $element$ $method$. Experimental validation is achieved by high-resolution subwavelength near-field mapping conducted by $photoemission$ $electron$ $microscopy$

Plasmonics of Au nano-objects by photoemission electron microscopy - A polarization study

International audienc

Plasmonics of regular shape particles, a simple group theory approach

International audienceA simple hand calculation method based on group theory is proposed to predict the near field maps of finite metallic nanoparticles (MNP) of canonical geometries: prism, cube, hexagon, disk, sphere, etc. corresponding to low order localized surface plasmon resonance excitations. In this article, we report the principles of the group theory approach and demonstrate, through several examples, the general character of the group theory method which can be applied to describe the plasmonic response of particles of finite or infinite symmetry point groups. Experimental validation is achieved by collection of high-resolution subwavelength near-field maps by photoemission electron microscopy (PEEM) on a representative set of Au colloidal particles exhibiting either finite (hexagon) or infinite (disk, sphere) symmetry point groups

The effect of gold nanoparticle capping agents on 1O2 detection by singlet oxygen sensor green

International audienceSinglet Oxygen Sensor Green (SOSG) is the most widely used fluorescent probe for detecting singlet oxygen (1O2). 1O2 can be efficiently produced by exciting the surface plasmon of gold nanoparticles with laser pulses. However, gold nanoparticles are usually embedded in a chemical stabilizer that can interact with SOSG, leading to erroneous detection of 1O2. This article shows that the emission properties of SOSG strongly depend on the concentration of cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), a capping agent widely used for nanoparticles synthesis and stabilization. The sensitivity of SOSG to 1O2 is also drastically affected by the presence of CTAB. This effect is due to the fluorescent probe's aggregation in CTAB premicellar aggregates and micelles, and the emergence of fluorescent conformers of the probe in the micelles. Furthermore, the behavior of SOSG in the presence of two other widely-used capping agents, i.e., citrate and Polyethylene Glycol (PEG), is investigated to determine the right nanoparticle stabilizer to use with SOSG probe

Coating gold nanorods with silica prevents the generation of reactive oxygen species under laser light irradiation for safe biomedical applications

International audienceGold nanoparticles can produce reactive oxygen species (ROS) under the action of ultrashort pulsed light. While beneficial for photodynamic therapy, this phenomenon is prohibitive for other biomedical applications such as imaging, photo-thermal drug release, or targeted gene delivery. Here, ROS are produced in water by irradiating gold nanorods and silica-coated gold nanorods with near-infrared femtosecond laser pulses and are detected using two fluorescent probes. Our results demonstrate that a dense silica shell around gold nanorods inhibits the formation of singlet oxygen (1O2) and hydroxyl radical (OH•) efficiently. The silica coating prevents the Dexter energy transfer between the nanoparticles and 3O2, stopping thus the generation of 1O2. In addition, numerical simulations accounting for the use of ultrashort laser pulses show that the plasmonic field enhancement at the nanoparticle vicinity is lessened once adding the silica layer. With the multiphotonic ejection of electrons being also blocked, all the possible pathways for ROS production are hindered by adding the silica shell around gold nanorods, making them safer for a range of biomedical developments