Contrôler le désordre dans l’auto-assemblage de nanoparticules pour améliorer leurs propriétés optiques

Pour véhiculer rapidement une information numérique, on utilise la lumière en jouant sur ses propriétés comme son intensité, sa fréquence, sa phase et sa polarisation.... En effet, c’est le vecteur d’information le plus rapide et les propriétés de la lumière, plus particulièrement sa polarisation circulaire (ou hélicité*), sont parfaitement conservées lors de propagation spatiale, même sur de très longues distances. Les scientifiques s’intéressent donc aux matériaux susceptibles de générer ou de transporter une lumière aux caractéristiques parfaitement définies.

Une partie des recherches se focalise actuellement sur des nanomatériaux dont les électrons de surface sont susceptibles d’interagir avec la lumière pour générer des plasmons. Ces ondes de densité d’électrons se déplaçant en surface du matériau plasmonique pourraient être capables de transporter l’information lumineuse à des fréquences très élevées. Pour produire ces plasmons, l’assemblage des nanoparticules qui forment le matériau final ne doit être ni parfaitement organisé (comme les cristaux), ni complètement amorphe. C’est ce désordre qui est à l’origine des propriétés photoniques de ces systèmes.

Hélas, l’auto-assemblage de nanoparticules conduit le plus souvent à des matériaux de structures simples et ordonnées, à cause du caractère symétrique des nanoparticules. Une façon de guider l’auto-assemblage vers des systèmes plus désordonnés est de confiner la réaction dans un espace réduit. Des scientifiques du Laboratoire de physique des solides (CNRS/Université de Paris-Saclay), l’Institut Charles Sadron (CNRS/Université de Strasbourg) et la ligne de lumière SWING du synchrotron SOLEIL ont ainsi réalisé l'auto-assemblage de nanoparticules d’or par évaporation à l'intérieur de petites cavités de formes différentes. Les équipes ont montré que différents motifs cristallins (bâtonnets, pyramides…) se formaient en fonction de la forme de la cavité. Elles ont montré, en utilisant une approche multi-échelles**, l’influence de cette géométrie sur la croissance d'un domaine cristallin et la formation des joints de grains (défauts cristallins).

Ces résultats, publiés dans la revue ACS Nano montrent comment qu’il est possible de contrôler l’orientation de nanoparticules et la formation de défauts lors de leur auto assemblage. Des recherches qui pourrait avoir des applications en plasmonique où l’interaction lumière-matière doit être parfaitement contrôlée.

* Appelée aussi hélicité, elle représente le sens de rotation de la composante électrique de la lumière (horaire ou antihoraire) autour de son axe de propagation.

** En utilisant la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) conventionnelle, un microfaisceau de rayons X (µSAXS) pour la spectroscopie d’absorption, et la microscopie électronique à balayage.

Rédacteur : CCdM