Mieux comprendre la « nano-métallurgie » pour faire progresser les technologies

Les nanoparticules d’or ou d’argent sont couramment utilisées en optique. En effet, à ces échelles nanométriques, elles montrent des comportements optiques particuliers lorsqu’on les soumet à des champs lumineux intenses. Elles permettent ainsi de manipuler la lumière ce qui est utile à de nombreuses applications. On les utilise par exemple pour générer des longueurs d'onde différentes (harmoniques) utilisées dans le traitement d'informations optiques. Des applications au cœur des technologies optiques avancées avec des impacts potentiels dans des domaines comme les communications, les capteurs, l’imagerie médicale, l’optique quantique…

Lorsqu'elles sont exposées à la lumière, ces nanoparticules peuvent exciter des “plasmons de surface”1 . Leur forme influence directement la fréquence de résonance de ces plasmons, modulant ainsi la réponse optique. Par exemple, les nanoparticules en forme d’étoile concentrent les champs optiques à leurs sommets ou arêtes, intensifiant ainsi les effets non-linéaires tels que la génération d’harmoniques ou la focalisation de la lumière. Il est donc essential de maîtriser la “nano-métallurgie” permettant d’accéder à la forme et donc à la propriété souhaitée.

Façonner des objets métalliques macroscopiques nécessite une énergie considérable. A la nano-échelle, en revanche, les choses se passent tout autrement. Les forces que l’on exerce à la surface sont souvent suffisantes pour changer la forme des nanoparticules et les amener à adopter la forme d’équilibre (qu’elle soit désirée ou non). Comprendre cette « nano-métallurgie » est essentiel pour faire avancer ces technologies optiques, mais les processus impliqués restent difficiles à caractériser en temps réel.

Une équipe rassemblant des scientifiques de plusieurs laboratoires français et européens2  vient de publier dans la revue Nano Letters une étude détaillée du chemin menant de particules d'or initialement munies de quatre bras pointus, vers une particule quasi-sphérique. Combinant des techniques de microscopie électronique, de diffusion des rayons X, de spectroscopie optique, et un traitement avancé des données, ils ont pu mettre en évidence une cinétique complexe qui débute par un aplatissement rapide des pointes vers une facette {110} du réseau cristallin de l'or et se poursuit par une étape plus lente de remodelage vers une forme isométrique quasi-sphérique.

Au-delà de la compréhension conceptuelle de leur évolution, cette étude facilitera le design de ces nano-objets en fonction de l’application souhaitée pour les futures générations de systèmes d'optique non-linéaire.

Rédacteur : CCdM

• 1Un plasmon de surface est une oscillation collective des électrons libres à la surface d un matériau conducteur, généralement un métal, en interaction avec un champ électromagnétique.
• 2Laboratoire matériaux et phénomènes quantiques (Université Paris Cité/CNRS), Laboratoire de physique des solides (CNRS/Université de Paris-Saclay), Institut Charles Sadron (CNRS/Université de Strasbourg) et ligne ID02 du synchrotron européen ESRF (Grenoble).