Livret résumé des cours et posters

Livretd’Abstracts
EcoleThématique
"PlasmoniqueMoléculaireet
SpectroscopiesExaltées"
20-24Juin2016
Toulouse
PRESENTATION
PMSEestuneécolethématique(ET)adosséeauGdR3430PMSEdontl'objectifestderenforceret
d’organiserl’activitéfrançaisedansledomainedelaplasmoniquemoléculaireetdesspectroscopies
exaltées. l'ET est organisée au Centre d'Elaboration de Matériaux et d'Etudes Structurales (CEMES)
enpartenariatavecleLaboratoiredePhysiqueetChimiedesNano-objets(LPCNO)
Laplasmoniqueestundomainederechercheetdedéveloppementencontinuelleexpansiondepuis
une quinzaine d'années. Il est à la croisée des chemins des physiciens, des chimistes et des
biologistes.Cetengouementestsuscitéparledéveloppementdestechniquesdenanostructuration
delamatièreparlesvoiesdelaphysique(lithographiesoptiqueetélectronique,nano-impression,...)
et par les voies de la chimie (synthèse de nano-objets par réduction de sels métalliques ou de
précurseurs organo-métalliques,...) et par les applications, en particulier dans les domaines de la
santéetdel'énergie(imagerieettraitementenoncologie,photo-voltaïque,productiond'hydrogène
parphotocatalyse...).Laplasmoniqueévoluerapidementverslaplasmoniquefonctionnelle,hybride
etadaptative.L'objectifdel'ETestdepermettreànoschercheursetdoctorantsd'appréhenderces
évolutionsaussibiendupointdevuedesnouveauxconceptsquedeceluidel'expérimentationetde
lathéorie.
Leprogrammedel'ETPMSEs'articuleautourde:
cours(20h)
•
Plasmonique:introduction,aspectsfondamentaux
•
SpectroscopiesVibrationnellesExaltéesetApplications(SERS,SEIRA)
•
AutresSpectroscopiesexaltées(TPL,SHG,Cathodoluminescence,EELS)
•
Plasmoniqueappliquéeauxbio-capteurs
•
Plasmonique:nouveauxconcepts,synthèsesetthéories
•
3Atelierspratiques
1.
spectroscopiesoptiquesdenano-objets
2.
Simulationsnumériquesdespropriétésoptiques
3.
Synthèsechimique
Visitesdelaboratoires
•
CEMES
•
LPCNO
•
Discussionsautourdespostersettableronde
ComitéScientifique
DominiqueBarchiesi,Univ.TechnologiqueTroyes
MichaelCanva,Institutd'optiqueUniv.Sherbrooke
RobertCarles,Univ.Toulouse
NordinFelidj,Univ.ParisDiderot
BernardHumbert,Univ.Nantes
MarcLamydelaChapelle,Univ.Paris13
RazvigorOssikovski,EcolePolytechnique,Palaiseau
EmmanuelRinnert,IFREMER,Plouzané
JeanChristopheValmalette,Univ.dusudToulon-Var
Comitéd’organisation
CEMES/LPCNO/CSPBAT,UPS/INSA/Paris13
GonzagueAgez
ArnaudArbouet
CarolineBonafos
AurélienCuche
ErikDujardin
ChristianGirard
MarcLamydeLachapelle
LiseMarieLacroix
AdnenMlayah
Cours
Plasmonsdesurface:structurerladensitéd'états
ennanophotonique
RémiCarminati
InstitutLangevin,ESPCIParis,CNRS,1rueJussieu,75005Paris
[email protected]
Unobjectifmajeurenplasmoniqueestlecouplagedeplasmonsdesurfacesavecdesmatériauxnanostructurés,afind'amplifieretdecontrôlerl'absorptionetl'émissiondelumièreauxcourteséchellesd'espaceetdetemps.Ledomaineaatteintunniveaudematuritételque,d'unepart,ilestpossible de réaliser des études fondamentales qui s'apparentent à des expériences de pensée (comme
unemoléculeuniqueinteragissantavecunenanoparticulemétallique),etd'autrepart,ilestpossible
deconcevoiretdévelopperdessystèmesprochesdecomposantsréels(parexemplepourdesapplicationsenéclairage,photovoltaïque,traitementdel'information,capteurs,imageriebiomédicaleet
thérapie).
Dans ce cours nous allons passer en revue quelques aspects fondamentaux en plasmonique, avec
comme fil conducteur le concept de densité d'états électromagnétique. La densité d'états locale
(LDOS)pilotelesprocessusélémentairesd'interactionlumière-matière,etnousmontreronssurdes
exemples comment elle intervient en plasmonique pour décrire des expériences fondamentales
(comme l'interaction d'un émetteur fluorescent et d'une antenne plasmonique) ou l'ingénierie de
structuresavecdesfonctionnalitésprécises[1].Nousdécrironsdesdéveloppementsrécentsdansla
caractérisation complète de la LDOS, incluant les contributions radiatives et non-radiatives [2], et
électriquesetmagnétiques[3].Au-delàdelaLDOS,nousmontreronsqu'ilestpossibledecaractériser la cohérence spatiale induite par les plasmons de surface à l'aide du concept de densité d'état
croisées(CDOS)[4],quimesurel'extensionspatialedesmodespropres.Finalement,nous introduirons le mécanisme de transfert d'énergie entre émetteurs fluorescents utilisant des plasmons de
surfacesurlabased'unexemplesimple[5].
De nombreux aspects abordés dans ce cours introductif seront développés plus largement tout au
longdel'Ecole.
[1] R. Carminati et al., Electromagnetic density of states in complex plasmonic systems, Surf. Sci. Rep. 70, 1
(2015).
[2]D.Caoetal.,Mappingtheradiativeandtheapparentnon-radiativelocaldensityofstatesinthenearfieldof
ametallicnanoantenna,ACSPhotonics2,189(2015).
[3]L.Aigouy,A.Cazé,P.Gredin,M.MortierandR.Carminati,Mappingandquantifyingelectricandmagnetic
dipoleluminescenceatthenanoscale,Phys.Rev.Lett.113,076101(2014).
[4] A. Cazé, R. Pierrat and R. Carminati, Spatial coherence in complex photonic and plasmonic systems, Phys.
Rev.Lett.110,063903(2013).
[5]D.Bouchet,D.Cao,R.Carminati,Y.DeWilde,andV.Krachmalnicoff,Long-RangePlasmonAssistedEnergy
TransferbetweenFluorescentEmitters,Phys.Rev.Lett.116,037401(2016).
Propriétésdepolarisationdesplasmonsdesurface:
entreoptiquesingulièreetforcesoptiques
CyriaqueGenet
ISIS–UniversitédeStrasbourgetCNRS,8,alléeG.Monge–BP70028,7083StrasbourgCedex
L’optiquesingulièreconstitueundomainederecherchetrèsactif,nourrid’ungrandnombredetravauxdéveloppésàlafoisdanslesrégimesclassiqueetquantiqueetquiouvreversdenombreuses
applications en optique. Des faisceaux propageant soigneusement préparés donnent accès à toute
une gamme de propriétés surprenantes. Depuis peu, c’est dans le domaine du champ proche que
l’on s’intéresse à ces effets, avec naturellement l’optique plasmonique comme terrain de jeu sur
lequel les concepts de l’optique singulière ‘de champ lointain’ se traduisent directement. C’est en
particulier dans le contexte des forces plasmoniques que se décrivent clairement les effets de la
structuredepolarisationspécifiqueauxmodesplasmonsdesurface.Avecdesgradientsd’amplitude
et de phase importants, les plasmons engendrent en effet des échanges d’impulsion très efficaces
avectoutobjetnanométriqueplongédansleurchamp.Cescaractéristiquessontdepuislongtemps
exploitéesdansungrandnombred’expériencesdemanipulationparforcesplasmoniquesquicontinuentàl’heureactuelled’êtrelesujetd’uncertainnombredediscussionsdenaturefondamentale.
Plasmoniquemoléculaire:dufacteurdePurcellàlaplasmonique
quantique
G.ColasdesFrancs
LaboratoireInterdisciplinaireCarnotdeBourgogne(ICB)UMRCNRS-UniversitéBourgogne-Franche
Comté,FacultédesSciencesMirande,9,av.Savary,BP47870,21078DIJONCEDEX
Lecontrôledel'interactionlumière-matièreàl'échellenanoestunprérequispourdesapplications
tellesquelaphotoniqueintégréeoulescapteurshautessensibilités.Cependant,cetteinteractionest
fortementlimitéeparladiffractionquiempêchedeconfinerlalumièresurdesdimensionssublongueurd'onde.Ens'affranchissantdecettelimitation,lesplasmonsdesurfaceconstituentunvecteur
prometteurdel'interactionlumière-matièreàl'échellenanométrique,ouvrantlavoieàdenombreuses applications pour la photonique intégrée (composants nanophotoniques) ou les capteurs ultrasensibles(spectroscopiesexaltéessursurfacemétalliques).LefacteurdePurcellcaractérisesimplementlecouplagelumièrematièreencavité.SaformesimpleFp Q/Vrévèleuneuneforteanalogie
entrel'électrodynamiqueencavité(contrôledel'interactiongrâceàunlongtempsd'interaction)et
la plasmonique moléculaire (contrôle grâce au fort confinement modal). Nous discuterons de la
transpositiondesconceptsissusdelacQEDverslaplasmoniquemoléculaireetlesimplicationspour
la réalisation de dispositifs nanophotoniques originaux (composants nanophotoniques, nanolaser,
nanosourceoptique,nanoantennes,...)
Propositiondeplan(provisoire)
I]Interactionlumière-matièreàl'échellenano:objectifs,limitations,stratégies
1)Motivations(photoniqueintégrée,capteurshautesensibilité,nano-optiquequantique)
2)Limitedediffraction,sectionefficaced'absorption,facteurdecoopérativité
3)Micro/nanorésonateuroptiqueetfacteurdePurcell
a)FacteurdePurcell,facteurdequalitéetvolumemodal
b)Implication:électrodynamiqueencavitévsplasmonique
II]FacteurdePurcellplasmonique(approcheclassique)
1)Modesplasmonspropagatifs(SPP)
a)FacteurdePurcell,aire/longueureffective,efficacitédecouplage
b)Composantsnanophotoniques
c)Transfertd'énergielongueportée
2)Modesplasmonslocalisés(LSP)
a)FacteurdePurcell,définitionduvolumemodal
b)Implicationspourlesspectroscopiesexaltées
c)Nanosourcesoptiques,sourcedephotonsuniques,laseràplasmons
III]Plasmoniquequantique
1)Quantificationenmilieudispersifetabsorbant
2)CouplagefortLSP-émetteur
3)Modeshybrides
Conclusionetperspectives
Synthèsechimiqueetauto-assemblagedenanoparticulespourla
plasmonique
ErikDujardin ,Lise-MarieLacroix2
1
1
CEMES-CNRS,29rueJ.Marvig,31055ToulouseCedex05
Laboratoiredephysiqueetchimiedesnano-objets(LPCNO)CNRS:UMR5215,UniversitéPaulSabatier-ToulouseIII,InstitutNationaldesSciencesAppliquéesdeToulouse135ruedeRangueil31077
TOULOUSECEDEX4
2
L’essorrécentdela«nanochimie»provientdufaitqu’elleasumontrerunecapacitéàproduiredes
objets nanométriques présentant des propriétés physiques inédites (magnétisme, luminescence,
plasmonique). Contrairement aux méthodes de préparation par voie physique, la chimie permet
d’obtenirdesstructurescristallinesprésentantpeudedéfautsdetaille,ainsiquedesformesetdes
agencementsmodulables,cequiserévèleunatoutimportantpourl'ingénieriedespropriétésplasmoniquesàl'échellenanométrique.
Nous débuterons ce cours par une introduction des principes généraux régissant les synthèses chimiques. Nous présenterons ensuite les paramètres permettant de contrôler finement la taille et la
formedesnanoparticulesobtenuesetl’impactsurleurspropriétésplasmoniques.Nousdétaillerons
ensuite comment les particules produites peuvent être assemblées par des méthodes génériques,
ouvrantainsilavoieversuneintégrationfuturedansdesdispositifs.
Enfinlesrecherchesencourssurlasynthèsedeparticulesplasmoniqueshybrides,consistantendes
particulescœur/coquilleoujanus,serontprésentées.
Mots-Clés:synthèsechimique,nanoparticules,auto,organisation
StructuresModalesetDépôtdeChaleurdans
lesSystèmesPlasmoniques
ChristianGirard
GroupeNeO,CEMES/CNRS,29rueJeanneMarvig,31055Toulouse,Cedex4
Cesdernièresannées,lespropriétésoptiquesremarquablesdesnanostructuresmétalliquesdemétaux nobles ont donné naissance à de nouveaux champs de recherche et d’applications où notammentlesrésonancesplasmonexcitéesdansdesparticulescolloïdalesdemétauxnoblesengendrent
des nano–sources de chaleur contrôlables par le dispositif d’éclairage. Cette propriété
d’hyperthermie par résonance plasmon trouve des applications en biophysique, et notamment en
oncologieoùdetellesparticules,lorsqu’ellessontfonctionnalisées,peuventsefixeràl’intérieurdes
cellules1. L’objectif de ce cours est de montrer sur des exemples simples (sphères, bâtonnets, plaquettes,métasurfaces,...)dequellemanièrel’énergiedissipéepareffetJouleestliéeàalastructure
modaledelaparticuleplasmonique.
1
Generatingheatwithmetalnanoparticles,Nanotoday,2,page30(2007),A.O.GovorovandH.H.Richardson
SurfaceEnhancedRamanScatteringetSurfaceEnhancedIR
absorption:optimisationdusignaletapplications
MarcLamydelaChapelle
LaboratoireCSPBATUMR7244,UFRSMBH,UniversitéParisXIII,
74rueMarcelCachin,93017Bobigny,France
email:[email protected]
LadiffusionRamanexaltéedesurfaceouSERSestbaséesurl'exploitationdespropriétésoptiquesde
nanoparticulesmétalliquesetsurl’exaltationduchampélectromagnétiqueauvoisinagedesnanostructurescrééeparl'excitationdesplasmonsdesurfacelocalisés(PSL).L’optimisationdusignalSERS
peutsefaireparlecontrôledelagéométriedesnanostructuresetparconséquentdelarésonance
PSL.[1-3] Dans ce cadre, plusieurs paramètres peuvent être considérés comme la taille et la forme
desnanostructures,leurcouplagechampprocheoubienleurenvironnement.[4]Ilestalorspossible
de définir des règles d’optimisation afin d’atteindre les exaltations les plus importantes possibles.
L’amélioration de la sensibilité d’observation de molécules peut alors être exploitée pour détecter
cesmoléculesenfaibleconcentrationetdévelopperdescapteursultra-sensibles.Quelquesexemples
serontprésentéspourmontrerlesperformancesdedétectionainsiquelesapplicationspotentielles
descapteursSERS.[5]
L’absorptioninfra-rougeexaltéedesurface(SurfaceEnhancedIRAbsorption,SEIRA)estunetechniquedemesureexploitantlespropriétésdesnanostructuresmétalliquesdansl’IR[6]etplusparticulièrement les plasmons de surface. L’exaltation locale du champ électromagnétique engendrée par
l’excitationenrésonancedesplasmonsdesurfacepermetuneaugmentationdel’absorptioninfrarougedesmoléculesdéposéesàlasurfacedesnanostructures.L’intensitéspectralemesuréeenSEIRAcorresponddoncàuncouplageentrelemodedeplasmondesurfaceetlemodedevibrationdes
molécules.[7]L’exaltationdel’intensitéenabsorptionIRestdoncdirectementliéeàlapositiondela
résonanceplasmonparrapportàlapositiondumodedevibration.Plusieursexemplesdedétection
demoléculesserontprésentéspourdifférentesnanostructures.
Enutilisantunegéométriespécifiquedenanostructure,ilestégalementpossibled’exciterunerésonanceplasmondanslevisibleetunerésonanceplasmondansl’IR.Danscederniercas,unemême
nanostructurepeutêtreutiliséepourcombinerladétectiond’unemoléculeenSERSetenSEIRA.[8]
[1]J.Grand,M.LamydelaChapelle,J.-L.Bijeon,P.-M.Adam,A.Vial,andP.Royer,Phys.Rev.B7,(2005)
033407,2005.
[2]N.Guillot,H.Shen,B.Fremaux,O.Péron,E.Rinnert,T.Toury,M.LamydelaChapelle,Applied.Phys.
Lett.97(2010)023113
[3]N.Guillot,M.LamydelaChapelle,JournalofQuantitativeSpectroscopyandRadiativeTransfer113,2321,
2012
[4]H.Shen,N.Guillot,J.Rouxel,M.LamydelaChapelle,T.Toury,Opticsexpress20(19)(2012)21278
[5]M.Cottat,etal.,J.Phys.Chem.C119,15532,2015
[6]F.Neubrech,D.Weber,R.Lovrincic,A.Pucci,︎M.Lopes,T.Toury,andM.LamydeLaChapelle,
Appl.Phys.Lett.93,163105,2008
[7]F.Neubrech,A.Pucci,T.Cornelius,S.Karim,A.Garcia-Etxarri,J.Aizpurua,Phys.Rev.Lett.101,157403,
2008
[8]C.D'Andrea,J.Bochterle,A.Toma,C.Huck,F.Neubrech,E.Messina,B.Fazio,OM.Marago,E.DiFabrizio,
M.LamydelaChapelle,PG.Gucciardi,A.Pucci,ACSNano,7(4),3522,2013
DiffusionRamanexaltéedesurface:principeetapplications
NordinFélidj
Interfaces,Traitements,OrganisationetDynamiquedesSystèmes,UniversitéParisDiderot,SorbonneParisCité,CNRSUMR7086,15rueJean-AntoinedeBaïf,75205ParisCedex13
Parmi les méthodes analytiques instrumentales, les techniques de spectroscopie vibrationnelle se
sontimposéesdepuislongtemps.Ellespermettentd’identifierlacompositionchimiquedesubstancesetdelesquantifier.Parmicestechniques,laspectroscopieRamanexploiteuneffetquitientson
nom d’un physicien Indien, Sir Raman, qui, le premier en 1928, mit en évidence ce phénomène (il
obtintleprixNobelpourcelaen1930)[1].Commelaspectroscopieinfrarouge(IR),laspectroscopie
Ramanpermetd’accéderauxniveauxvibrationnelsetrotationnellesdesmolécules.Cettetechnique
ouvreainsidesapplicationsdansledomainebiologiqueoumédical,carladiffusionRamandel’eau
esttrèsfaible,cequipermetsonutilisationcommesolvant.
L’inconvénient majeur est que la spectroscopie Raman classique (ou spontanée) est une technique
trèspeusensible,cequilimitel’analysedeproduitsàfaibleconcentration.Cependant,l’adsorption
de molécules à la surface de nanostructures métalliques (principalement or et argent), permet
d’exalterleursignatureRaman,ycomprisàtrèsfaibleconcentration.OnparleradediffusionRaman
exaltéedesurface(DRESouSERSenanglais,pourSurfaceEnhancedRamanScattering)[2].Dansla
première partie du cours, nous reviendrons sur les mécanismes à l’origine de l’effet DRES. Par ailleurs,lesavantagesdecetteméthodefacileàmettreenœuvreontsuscitédenombreusesapplicationsdansdesdomainesaussivariéesquelamédecine,lapharmacologie,ladéfenseoulemondede
l’art,commenousleverronsdansladeuxièmepartiedececours.
[1]C.V.Râman,Themolecularscatteringoflight.NobelLectures:Physics,1922-1941,267-275(1930).
[2] M. Fleischmann; P.J. Hendra; A.J. McQuillan, Raman Spectra of Pyridine Adsorbed at a Silver Electrode,
ChemicalPhysicsLetters26(2),163–166,1974.
Spectroscopieexaltéepareffetdepointe(TERS):
principeetinstrumentation
Jean-ChristopheValmalette
InstitutdesMatériaux,deMicroélectroniqueetdesNanosciencesdeProvence(IM2NP)Universitéde
Toulon,CNRS:UMR7334UniversitédeToulon83957LaGardeCedex
Ledéveloppementdesnanotechnologiesreposeengrandepartiesurlapossibilitédecaractériserla
matièreàl'échellenanoscopique.Lavibrationdesliaisonsconstituelasignatureuniqued'unemoléculeplacéedansunenvironnementdonné,permettantainsisonidentificationsanslerecoursàdes
marqueurs.Seulunnombrelimitédetechniquespermetd'accéderàcesvibrations:ladiffusionde
neutrons,laspectroscopieinfrarouge,ladiffusionRamanetlaspectroscopiepareffettunnelinélastique.Ladoubleexigenced'uneultra-sensibilitéetd'unerésolution-nmrendparticulièrementdifficile
ladétectiond'uneinformationvibrationnellenanoscopiqueetlocalisée.Ungrandnombredestratégiesontétéélaboréespourtenterdecontournercesdeuxdifficultéssansparveniraujourd'huiàune
technologiemature,endépitdequelquesrésultatsremarquablesparl'utilisationdeladiffusionexaltéepareffetdepointe(TERS,TipEnhancedRamanScattering).S'ilparaîtextrêmementprometteur,
cedomainederecherche,visantàl'analysechimiqueultime,seheurteàungrandnombrededifficultés : la combinaison de champs de la physique relevant de communautés distinctes, l'extrême
sensibilité des systèmes étudiés, les contraintes technologiques, les outils de modélisation, ... etc.
Cependant,lesprogrèsimportantsréalisésdepuislespremièresmesuresTERS,audébutdesannées
2000,permettentdesoulignerlepotentieldecettetechniqueetdemieuxcomprendreoùpersistent
lesverrousscientifiquesettechnologiques.Aprèsuneprésentationdesphénomènesmisenjeudans
leTERS,nousnousattacheronsàdécrirelesdifférentespistesexploréesenmontrantleurslimites,
ensuitenousévoqueronsquelquesapplicationsensciencedesmatériaux,électroniquemoléculaire,
biologie,...,puisnousverronsl'importancedesoutilsdesimulationavantdeconclureparlapropositiondequelquesdevoiesquimériteraientd'êtreexploréesàl'avenir.
Mots-Clés:TERS,TipEnhancedRamanSpectroscopy,Nano,Raman,Label,freedetection,Nano,
analysis,ScanningProbeMicroscopy
DynamiqueultrarapideetEmissiondelumièrenon-linéaire
denanoparticulesmétalliques
ArnaudArbouet
Centred'ElaborationdeMatériauxetd'EtudesStructuralesCNRS-UniversitédeToulouse,
29RueJeanneMarvig,ToulouseFrance
[email protected]
Les résonances plasmon de surface de nanoparticules métalliques exaltent de façon importante la
façondontcesnano-objetsinteragissentaveclalumière.Leretouràl'équilibred'unnano-objetexcité optiquement implique une séquence complexe de mécanismes dont les durées caractéristiques
sontcomprisesentrequelquesfemtosecondesetplusieursnanosecondes.
Dans la première partie de ce cours, nous aborderons les différents mécanismes impliqués dans la
dynamiqueélectroniqueetvibrationnelleultrarapidedenano-objetsmétalliquesetpréciseronsleur
échelle de temps caractéristique. Nous décrirons ensuite les techniques expérimentales utilisées
pourlesétudier.
Dans une seconde partie, nous évoquerons les mécanismes non-linéaires d'émission de lumière.
Nousillustreronslesinformationsqu'ilestpossibled'obtenirsurlesrésonancesplasmondesurfaceà
partirdelaphotoluminescenceàdeuxphotonsoudelagénérationdesecondeharmoniqueémise
parlesnano-objetsmétalliques.
[1]TailoringSecondHarmonicGenerationinSingleL-ShapedPlasmonicNanoantennasfromtheCapacitiveto
Conductive Coupling Regime, Leo-Jay Black, Peter R. Wiecha, Yudong Wang, C. H. de Groot, Vincent Paillard,
ChristianGirard,OttoL.Muskens,andArnaudArbouetACSPhotonics,2(11),pp1592–1601,2015
[2] Tailoring and imaging the plasmonic local density of states in crystalline nanoprisms
S.Viarbitskaya,A.Teulle,R.Marty,J.Sharma,C.Girard,A.ArbouetandE.DujardinNatureMaterials,12,426–
432,2013
[3] Surface Plasmon Damping Quantified with an Electron Nanoprobe Michel Bosman, Enyi Ye, Shu Fen Tan,
ChristianA.Nijhuis,JoelK.W.Yang,RenaudMarty,AdnenMlayah,ArnaudArbouet,ChristianGirard&MingYongHanScientificReports3,Articlenumber:1312,2013
[4] Damping of the Acoustic Vibrations of Individual Gold Nanoparticles R. Marty;A. Arbouet; C. Girard; A.
Mlayah;V.Paillard;V.K.Lin;S.L.Teo;S.TripathyNanoletters,11(8),3301-3306,2011
[5]Electron-phononscatteringinmetalclustersArbouet,A.;Voisin,C.;Christofilos,D.;Langot,P.;DelFatti,N.;
Vallée,F.;Lerme,J.;Celep,G.;Cottancin,E.;Gaudry,M.;Pellarin,M.;Broyer,M.;Maillard,M.;Pileni,M.P.&
Treguer,M.PhysicalReviewLetters90(17),2003
Nanooptiqueavecdesélectronsrapidespourlaplasmonique
M.Kociak
LPS,UniversitéParisSud,CNRS,91405,Orsay
Au cours des quinze dernières années, des expériences menées à l'aide de microscopes électroniquesàbalayage(SEM)ouàbalayageentransmission(STEM)ontdémontrélapossibilitédecartographier les modes plasmons de nanoobjets avec des résolutions spatiales bien en-deçà des longueurs d'ondes associées à ces modes. Les spectroscopies associées - la spectroscopie de perte
d'énergieélectronique,EELS,etlacathodoluminescence,CL-,sesontdepuislargementrépandues,
etontdémontréleurcomplémentaritéaveclesspectroscopiespurementphotoniques.Enparallèle,
desthéoriespermettantdecomprendrelessignauxmesurésenutilisantdeconceptshéritésdel'optiquemacroscopique(absorption,diffusion,extinction)ounanoscopique(densitéd'étatsélectromagnétiques locale) ont été construites. Le but de ce cours est de familiariser l'auditoire aux aspects
techniquesetconceptuelsdesspectromicroscopiesEELSetCLappliquéesàl'étudedesplasmonsde
surface.Lecoursseraconduitdelafaçonsuivante:
-Positionduproblème:nécessitéd'unecaractérisationspatio-spectraleàdeséchellestrèspetites
devantlalongueurd'ondedesplasmons
-Introductionheuristiqueducouplageélectron/matière/plasmon/photon
-Comparaisonentrespectroscopiesoptique/electroniquedanslecassimpled'unesphère
-Descriptiond'unmontageexpérimentaltypique
-Introductiondesexpériencespionnières
-Quemesure-t-ondanslecasgénéral?Comparaisonentrespectroscopiesoptique/electroniqueet
lienavecladensitéd'étatsélectromagnétiqueslocale
-Exemplesd'applications
Echangephoton–plasmonauvoisinagedenanostructures
métalliques:verslaplasmoniquequantique
A.Cuche
Centred'ElaborationdeMatériauxetd'EtudesStructuralesCNRS-UniversitédeToulouse,
29RueJeanneMarvig,ToulouseFrance
Laplasmoniqueaconnuunessorparticulièrementrapidecesdernièresannéesgrâceauxpropriétés
deguidage,deconfinementetd’exaltationduchampassociéesauxrésonancesplasmons.Lacapacitédefaçonneretdecontrôlerlechampélectromagnétiquedansdesvolumessub-longueurd’onde
parl’intermédiairedenanostructuresmétalliquesamenéàdesavancéesspectaculairesnotamment
dansletransfertdel’informationoptiqueà2D,lagénérationcontrôléedechaleurouencorelamanipulation de nanoobjets par l’intermédiaire de forces optiques. Une autre voie particulièrement
explorée concerne le contrôle de l’émission de lumière de fluorophores couplés à des résonateurs
métalliques,etce,jusqu’aurégime«quantique»dessourcesdephotonsuniques.Nousprésenterons ici les différentes configurations possibles pour la réalisation de telles architectures hybrides
(émetteur-métal)ainsiquelestechniquesexpérimentalespermettantdesonderlespropriétésoptiques de ces systèmes. La dynamique d’émission de sources de photons uniques plongées dans le
champprochedestructuresplasmoniqueetlesméthodesexpérimentalespermettantleuracquisitionserontabordées.Enfin,lesperspectivesouvertesparcessystèmeshybridesserontdiscutéeset
notamment les possibilités qu’ils offrent de transposer à deux dimensions certains concepts
d’optiquequantique.
Plasmoniqueappliquéeauxbiocapteurs
JulienMoreau
LaboratoireCharlesFabry,Institutd’OptiqueGraduateSchool,Université́ParisSud,CNRS,
2AvenueAugustinFresnel,91127Palaiseau,France
Depuislatoutepremièreobservationautoutdébutdu20esiècleparlephysicienetinventeuraméricainR.W.Wood,alorsqu’ilétudiaitlalumièrediffractéeparunréseaumétallique,lesplasmonsde
surface (SPR)sontmaintenantlargementutilisésdansunelargegammedecapteursbiochimiques.
L’idéecentraleestdefortementconfinerl’énergielumineuseincidentesousformed’uneondeévanescentesurunesurfacemétallique.Cetteondeévanescentevaservirdesondenanométrique,sensibleàl’épaisseuroptiqueàlasurfaceducapteur.LescapteursSPRpouvantainsiêtrevuscomme
des microbalances optiques [1,2]. Les avantages apportés par cette technique sont bien connus:
mesuresansmarqueur,entempsréel,insensibilitédusystèmeauxperturbationsloindelasurface
etfaiblecomplexitétechnique.Depuislamisesurlemarchédespremiersappareilscommerciauxau
début des années 80, les capteurs SPR sont devenus un standard dans l’étude des interactions
biochimiques[3,4].Danscetteprésentation,nousreviendronsrapidementsurleprincipedemiseen
œuvre de ces systèmes et les différentes modalités optique d’interrogation. L’état de l’art des
performancesdecessystèmesetleurslimitesfondamentales[5]serontaussidiscutées.
[1]J.Moreau,J-PCloarec,P.Charette,M.Goosens,M.CanvaandT.Vo-DinhSurfaceplasmonresonanceimagingsensors:principle,development,andbiomedicalapplications–exampleofGenotyping, volume2ofBiomedicalPhotonicshandbook,secondedition,CRCPress
[2]J.Homola.Surfaceplasmonresonancebasedsensors,volume4ofSpringerSeriesinChemicalsensorsand
biosensors
[3]S.Scarano,M.Mascini,A.TurnerandM.Minunni,Surfaceplasmonresonanceimagingforaffinity-based
biosensors,Biosensors&Bioelectronics,25(5),957-966,2010
[4] A. Abbas, M. J. Linman and Q. Cheng, New trends in instrumental design for surface plasmon resonancebasedbiosensors,26(5),1815-1824,2011
[5] M. Piliarik and J. Homola Surface plasmon resonance sensors: approaching their limits? Optics Express,
17(19),16505-16517,2009
Nanostructurationdesurfacepourlabioplasmonique
Jean-PierreCloarecetGrégoryBarbillon
Institutd’ElectroniqueFondamentaleCNRSUMR8622,UniversitéParisSud,Bâtiment220,RueAndréAmpère,91405OrsayCedex
Danscetteprésentation,nousaborderonslestechniquesdenanostructurationdesurfaceappliquées
àlabioplasmonique.Effectivement,denombreusestechniquesexistentpourréaliserdesnanostructuresplasmoniques.Ellessedivisenten2majeurespartiesquisontlesvoies«chimique»(synthèses) et « physique » (Lithographies). Cette présentation se concentrera seulement sur la seconde
voie:lavoiephysique.Jeprésenterailesprincipalestechniquesdelithographiecommelalithographieélectronique[1-3],lalithographieparnanoimpression[1,4]etlalithographieparnanosphères
[1,5].Leprincipedechaquetechniqueseraévoquéainsiquelesappareilsexistants,lesavantageset
les inconvénients des différentes lithographies pour la réalisation de nanostructures plasmoniques
(Exemples:figure1).
(a)
(b)
Figure1:(a)Nanodisquesd’orsurverreobtenusaveclalithographieparnanoimpression[4]et(b)
Nanotrianglesd’orsurfilmd’orobtenusaveclalithographieparnanosphères[5].
[1]G.Barbillon,F.Hamouda,B.Bartenlian,BookChapter:LargeSurfaceNanostructuringbyLithographicTechniquesforBioplasmonicApplicationsinManufacturingNanostructures,244-262,(2014).
[2]J.F.Bryche,R.Gillibert,G.Barbillon,etal.,Plasmonics,11(2),601-608,(2016).
[3]J.F.Bryche,R.Gillibert,G.Barbillon,etal.,JournalofMaterialsScience,50(20),6601-6607,(2016).
[4]M.Cottat,N.Lidgi-Guigui,I.Tijunelyte,G.Barbillon,etal.,NanoscaleResearchLetters,9,623,(2014).
[5] J.F. Bryche, A. Tsigara, B. Bélier, M. Lamy de la Chapelle, M. Canva, B. Bartenlian, G. Barbillon, Sensors &
ActuatorsB:Chemical,228,31-35,(2016).
TheuseofsingleproteinSERSfordeterminingtheproteinstructure
anditsdynamics
1
EricFinot
LNIO/ICD,UniversitédetechnologiedeTroyes,12rueMarieCurie,Troyes,France
ConsideringthatyoumasterthebasicsofRamanspectroscopyandplasmonics,wearegoingtosee
the applications in proteomics. There is a clear call for developing new physical tools to determinethe protein structure and its dynamics with the final goal of ourbetter understanding of the
functionofbiomoleculeorthedesignofnewprotein.Firstquestionwhatistheaddedvalueofthe
Ramanscatteringcomparedwithothercurrenttoolsinbiochemistry(massspec,NMR,X-ray,FRET,
AFM)? and why going at the nanometer scale inbiology ? And what arewe getting
fromthespectroscopyofindividualproteins
ThesubmolecularresolutionofSERSisusedtoprovidebriefsnapshotofproteinsinpointillism.We
stillfailtomodelthelocalmolecularfluctuatingenvironmentofaprotein,andhencethepotential
significant effects upon motionsrelevant to its function. We arethengoing to deal here with the
complexity:howtoextract,fromavastpooloffluctuatingmicroscopicsignals,thevaluableinformationrelevanttoamacroscopicbiologicalfunction.Webelievethattheanswerisontheunderstanding thedynamicsof spectra: on howthe motions of proteins are coupled among each other and
whichofthemareimportantforbiologicalfunction.
FluorescenceEnhancementwithSingleGoldNanorods
BiswajitPradhan,WeichunZhang,MartínCaldarola,MichelOrrit
MoNOS,LeidenInstituteofPhysics,2300RALeiden(Netherlands)
Isolatedgoldnanorodscanenhanceopticalfieldintensitiesbyfactorsaslargeassomethousandsat
thelongitudinalplasmonresonance,thanksinparttothesharpnessoftheirtips,butmoreimportantlytothesharpnessoftheirlongitudinalplasmonresonance.Theplasmonicspectraldependenceis
convenienttoselectivelyenhancethefluorescenceofsinglemoleculesdiffusinginthevicinityofthe
rod’s tips. Fluorescence bursts are thus amplified above background from unenhanced molecules
and other impurities, opening many applications of single-molecule microscopy to weakly emitting
dyes,highconcentrationsaroundmicromolar,andenvironmentswithlargefluorescencebackground
suchasbiologicalcellsandmedia.
Wefirstdiscussexperimentswithcrystalviolet(CV),adyewithalowfluorescencequantumyield.
Usingimmobilizedgoldnanorodswithalongitudinalplasmonatabout650nm,wehaveshownthat
singleCVmoleculesgiverisetostrongbursts(seeFig.1)withmorethanthousand-foldenhancement
[1].Thespectraldependenceoftheenhancementshowstheimportantpartplayedbytheplasmon
resonance in this process [2]. In this manner, enhanced-fluorescence correlation spectroscopy (EFCS)canbegeneralizedtoconcentrationshigherthanmicromolar,whereasstandardFCSislimited
tosub-nanomolarconcentrations.E-FCSgivesaccesstotranslationaldiffusioninthenear-fieldarea,
tostickingtothesubstrate,andtotripletblinking[3].
WealsoappliedE-FCStothediffusionofa“good”dye,Alexa647,
diffusing in a lipid bilayer. Although the enhancement is much
weaker in that case (3-5 times), the correlation distinctly shows
components related to near-field and far-field components of the
intensity distribution. Other statistical characterizations yield
furtherinformationaboutthesizeandshapeofthenear-fieldarea.
Fig.1.(a)Typicalfluorescencetimetraceofagoldnanorod(red)
immersed in a CV solution in glycerol and background without
nanorod (green). (b) Autocorrelation of the traces with double
exponentialfit(black)totheredcurve.Correlationtimes1.1ms
and 105 ms. No clear correlation is found for the background
(green).
[1]
H. Yuan et al., Thousand-fold enhancement of single-molecule fluorescence near a single gold
nanorod,Angew.Chem.52(2013)1217.
[2]S.Khatuaetal.,Resonantplasmonicenhancementofsingle-moleculefluorescencebyindividualgoldnanorods,ACSNano8(2014)4440.
[3]S.Khatuaetal.,Enhanced-fluorescencecorrelationspectroscopyatmicro-molarconcentrationsarounda
singlegoldnanorod,Phys.Chem.Chem.Phys.17(2015)21127.
Aluminumnanostructuresforplasmonics
JérômePlain
LNIO/ICD,UniversitédetechnologiedeTroyes,12rueMarieCurie,Troyes,France
Email:[email protected],website:www.utt.fr
Progressinnanomedicinewillbedrivenbytheabilitytodetectandmanipulatethelivingmatterat
themolecularscaleinordertocurecancersorfixgeneticanomalies.Oneofthemostpromisingway
istheuseofconfinedopticalsourceintheultra-violetwavelengthstoimagebyselffluorescence,to
analysebyenhancedRamanspectroscopyandtorepairthewrongmolecularsequencesbyinducing
localchemicalreaction.Metallicnanoparticlesarewidelyrecognizedaslocalsourcesofenergythat
resolve the above issues thanks to their optical properties based to the plasmon resonance. To
achieve UV plasmonics, aluminum appears as the best candidate [1]. This metal has a negative dielectricconstantcombinedwithalowlosscoefficientatUVwavelengthsdownto100nm,matching
allthecriteriatoobtainhighenergyLocalizedSurfacePlasmonResonances(LSPR)[2].
UVLocalizedSurfacePlasmonResonances(LSPRs)areveryattractingbecausetheirenergymatches
withmostoftheelectronictransitionenergiesofmoleculesorsolids.Inthisscope,thedevelopment
of efficient and low-cost techniques for the synthesis of reproducible Al nanostructures with very
goodcrystallinequalityandopticalpropertieshastobeinvestigated[3,4].
Inthispresentation,wedescribevariousmethodsforthegrowthofcrystallineAl-NPs.Thenanoparticlesaremadeusingveryreproduciblesynthesisroutes.Thefirstapproachisbasedonthereduction
ofaluminumions.Thesecondapproachreliesontheuseofsono-chemistryofaluminumfoils.Particles as small as 2nm have been synthesized and characterized with a transmission electron microscope, extinction spectroscopy and other methods. By playing on various the medium of synthesis
and the temperature of reaction, it appears to be possible to tune under control the size of the
nanoparticles.WecompletedthecharacterizationsbyinvestigatingtheopticalpropertiesofthesynthesizedAlNPs.
To summarize, we described in this presentation various chemical method for the growth of
aluminum nanoparticle. AL-NPs present a very good homogeneity and reproducibility. They exhibit
sharplocalizedsurfaceplasmonresonances(LSPRs)intheUVregionasithasbeenshowedbyextinctionspectroscopycharacterization.
TheauthorsacknowledgetheRégionChampagne-Ardennes,theConseilgénéraldel'Aube,andthe
FEDER funds through their support of the regional platform Nanomat and the LABEX Action. JP
thankstheANRprojectsNATOforthefinancialsupport.
1.
2.
3.
4.
D.GerardandS.K.Gray,JournalofPhysicsD:AppliedPhysics48,184001(2015).
J.Martin,M.Kociak,Z.Mahfoud,J.Proust,D.Gerard,andJ.Plain,NanoLetters14,5517-5523(2014).
J.Martin,J.Proust,D.Gerard,andJ.Plain,OpticalMaterialsExpress3,954(2013).
J.MartinandJ.Plain,JournalofPhysicsD:AppliedPhysics48,184002(2015).
Exaltationdefluorescencesurdesnanoantennesplasmoniques:
Sélectionnerlesconditionspourmaximiserlefacteurd’exaltation
JérômeWenger
CNRS,Aix-MarseilleUniversité,InstitutFresnel,CampusStJérôme,Marseille13013
[email protected]
Les nanoantennes plasmoniques reçoivent un intérêt considérable pour manipuler les interactions
lumière-matière à l'échelle nanométrique, et améliorer la détection des émetteurs quantiques uniques.Lefacteurd’exaltationdeluminescenceestcourammentutilisécommeunefiguredemérite
permettantdequantifierl'influencedel'antenneplasmonique.
Cettecontributionviseàdiscuterplusendétailslephénomèned’exaltationdefluorescenceauvoisinagedenanostructuresplasmoniquesafind’éviterdeserreursfréquentes.Nousallonsexaminerles
définitions formelles et ensuite nous concentrer sur les paramètres communs qui influent sur les
valeursmesurées.Uneattentionparticulièreseraconsacréeauxaspectsexpérimentaux.
Les nanoouvertures simples entourées par des corrugations peu profondes serviront d’illustration
pratiqued'uneantenneplasmoniquepouraméliorerlafluorescencedesmolécules[1-3].Laprésentationdétailleraégalementdestravauxrécentssurdesantennesplanaires[4,5]etauto-assemblées
[6-8]pourrenforcerlafluorescenceetsontransfertd'énergieentremolécules.
1. H. Aouani, O. Mahboub, N. Bonod, E. Devaux, E. Popov, H. Rigneault, T.W. Ebbesen, J. Wenger, Bright
unidirectional fluorescence emission of molecules in a nanoaperture with plasmonic corrugations, Nano Lett.
11,637-644(2011).
2. H. Aouani, O. Mahboub, E. Devaux, H. Rigneault, T.W. Ebbesen, J. Wenger, Plasmonic antennas for
directionalsortingoffluorescenceemission,NanoLett.11,2400-2406(2011).
3. J. Wenger, Fluorescence Enhancement Factors on Optical Antennas: Enlarging the Experimental Values
withoutChangingtheAntennaDesign,Int.J.Optics2012,828121(2012).
4.D.Punj,M.Mivelle,S.B.Moparthi,T.vanZanten,H.Rigneault,N.F.vanHulst,M.F.Garcia-Parajo,J.Wenger, A plasmonic ‘antenna-in-box’ platform for enhanced single-molecule analysis at micromolar concentrations,NatureNanotech.8,512-516(2013).
5. P. Ghenuche, M.Mivelle,J. de Torres, S. B. Moparthi, H. Rigneault,N. F. Van Hulst, M.F.García-Parajó,J.
Wenger,MatchingNanoantennaFieldConfinementtoFRETDistancesEnhancesFörsterEnergyTransferRates,
NanoLett15,6193-6201(2015).
6. D. Punj, R. Regmi, A. Devilez, R. Plauchu, S. B. Moparthi, B. Stout, N. Bonod, H. Rigneault, J. Wenger, SelfAssembled Nanoparticle Dimer Antennas for Plasmonic-Enhanced Single-Molecule Fluorescence Detection at
MicromolarConcentrations,ACSPhotonics2,1099-1107(2015).
7.S.Bidault,A.Devilez,V.Maillard,L.Lermusiaux,J.M.Guigner,N.Bonod,J.Wenger,Picosecondlifetimeswith
highquantumyieldsfromsingle-photonemittingcolloidalnanostructuresatroomtemperature,ACSNano10,
4806-4815(2016).
8. S Bidault, A Devilez, P Ghenuche, B Stout, N Bonod, J Wenger, Competition between Förster resonance
energy transfer and donor photodynamics in plasmonic dimer nanoantennas, ACS Photonics (2016) DOI:
10.1021/acsphotonics.6b00148
Ateliers
ATELIER1:SpectroscopiesOptiques
Objectif:
Cet atelier dure 2h45. Nous travaillerons sur un dispositif multifonctions XPlora de Jobin-Yvon permettantd'observer(enchampsclairetsombre)unnano-objetàlalimitedeladiffractionoptiqueet
de sonder ses propriétés optiques. Les nano-objets d'études seront ceux qui auront été élaborés à
l'atelier3(nanoparticulessphériquesetnanobatônnetsd'or)etmodélisésàl'atelier2(DDA,MEEP).
Le nombre important de participants à cet atelier ne permet pas à chacun de mettre "la main à la
pâte".Egalement,lamanipulationdudispositifnécessiteuneformationpréalable.Pourcesraisons
l'atelierseramenéavecl'encadrementd'unpersonnelformé.
Il s'agit de mettre en œuvre les techniques de spectroscopies de diffusion élastique et inélastique
(RamanexaltéedesurfaceSERS)delalumièrepourl'étudedelaréponseplasmoniqued'unnanoobjet.Nouspourronsobserverlaréponseplasmoniqueenréalisantlaspectroscopied'unesourcede
lumièreblanchediffuséeparlenano-objet.Cettepremièreétapenouspermettradechoisirjudicieusementlalongueurd'onded'excitationlaserafinderéaliserlaconditionderésonanceaveclesplasmonsdesurfacedunano-objet.
NouspourronsainsiexciterladiffusionRamanSERSetobserversadépendanceenfonctiondetemps
(SERSblinking)etdelalongueurd'onded'excitation(enrésonance/horsrésonance).
ATELIER2:Simulationsnumériquesdespropriétésoptiques
Objectif:
Cetatelierd'uneduréede2h45viseàprésenterdefaçonpratiquedeuxtechniquespermettantde
simuler les propriétés optiques de nanostructures plasmoniques couramment utilisées aujourd'hui:
l'approximationdesdipôlesdiscrets(DDA,DiscreteDipoleApproximation)etlaméthodedesdifférencesfiniesdansledomainetemporel(FDTD,FiniteDifferenceTimeDomain).
L'objectif de cet atelier n'est pas une présentation détaillée du cadre théorique de ces méthodes
maisuneintroductionpratiqueàleurfonctionnementetleurutilisationsurquelquesexemplessimples.LecodeDDSCATdéveloppéparBruceT.DraineetPiotrJ.Flatauserautilisépourintroduirela
méthode DDA (DDSCAT 7.3). La méthode des différences finies sera elle illustrée grâce au logiciel
MEEPdéveloppéauMIT.
Lesprincipesgénérauxdefonctionnementdecesoutils,etenparticulier
•ladéfinitiondelagéométrieétudiée
•ladéfinitiondesparamètresd'illumination
•lesobservablesaccessibles
serontprésentéssurquelquesexemplessimples.
Références:
DDSCAT:http://ddscat.wikidot.com/
MEEP:http://ab-initio.mit.edu/wiki/index.php/Meep
ATELIER3:Synthèsechimiquedenanoparticulespourla
plasmonique
Objectif:
Cetatelierd'uneduréede2h45viseàprésenterdefaçonpratiquedeuxsynthèsesdenanoparticules
d’orcourammentutiliséesaujourd'hui:
-lasynthèsedenanoparticulessphériquesde7nmparlaméthodeditede«Brust»[1]quiconsiste
enlaréductionrapideenmilieuaqueuxd’unprécurseurd’orsuivantl’équation:
HAuCl4 + 3 NaBH4 + 9 H20→ Au + 3 Na+ + H+ + 4 Cl- + 3 B(OH)3 + 21/2 H2
-lasynthèsedenanobâtonnetsd’orparuneméthodeendeuxétapesbaséesurleprotocoledeC.M.
MurphyrevueparM.A.El-Sayed.[2]Desgermesd'orsontproduitsparreductiond'unseld'orpardu
borohydrure,commedanslasynthèsedeBrustprécédente.Ensuite,lesgermessontinjectésdansun
solutionaqueusedecroissancecomprenantduseld'or,unréducteurfaible(acideascorbique)etun
bloqueur de croissance des faces [111] (bromure de cétyltrimethylammonium, CTAB). Afin de promouvoirlaréactiond'autocatalysedel'or,unseld'argentestajouté.Celafavoriselaproductionde
nanoparticulesanisotropesquisontobtenuesaprèsenviron30minutes.
Les propriétés plasmoniques des particules obtenues seront caractérisées par spectroscopie
UV/visible.L’effetdesinteractionssurcespropriétésseramiseenlumièreendéstabilisantlessolutionscolloïdalesobtenues.
L'objectifdecetatelierestunemiseenpratiquedestechniquessimplesdesynthèsechimiqueetde
caractérisationd'absorptionoptiqueUV/Visible
Références:
[1]M.Brustetal.,Chem.Commun.,1994,801
[2]B.Nikoobakht,M.A.El-Sayed,Chem.Mater.,2003,15,1957-1962
Planningateliers
Posters
Interactionexciton/plasmondansdesnanostructures
hybridesMoSe2@Au:effetsdelatempérature
InèsAbid1,ArashBohloul2,JiangtanYuan2,WeibingChen2,RenaudPéchou1,Adnen
Mlayah1,andJunLou2
1
Centred'élaborationdematériauxetd'étudesstructuralesCEMES-CNRS,UPR8011,PRES
UniversitédeToulouse,29RueJeanneMarvig31055TOULOUSECEDEX4
2
DepartmentofMaterialsScienceandNanoEngineering,RiceUniversity{DepartmentofMaterials
ScienceandNanoEngineering,RiceUniversity,Houston,Texas77005,US,Etats-Unis
Lesdichalcogénuresdemétauxdetransition(TMDs)ontsuscitél'intérêtdeschercheursgrâceàleurs
propriétés optiques, spintroniques et électroniques exceptionnels [1]. Ces propriétés résultent du
confinement électronique ultime en nanofeuillets bidimensionnels et de l'absence d'une symétrie
d'inversion dans leur structure cristallographique [2]. A_n de contrôler et d'améliorer la réponse
optiquedecesmatériaux,ils'avèreintéressantdelescombineravecdesnanorésonateursplasmoniques,quiontl'avantaged'exalterfortementl'absorptionetl'émissiondelalumièredesnano-objets
situéesauvoisinagedeleursurface
[3-4].
Dans ce contexte, nous avons étudié l'interaction exciton-plasmon dans les nan systèmes hybrides
MoSe2surnanodisquesd'or.DescouchesdeMoSe2ontétéélaboréespardépôtchimiqueenphase
vapeur (CVD) et ensuite transférées sur des nanodisques d'or. Ces derniers ont _été réalisées par
lithographie (NSL) (nanosphere lithography) et conçus de telle manière que l'absorption de leurs
plasmonsdesurfacecoïncideaveclatransitionexcitoniquedeMoSe2.Lesmesuresd'absorptionoptiquesrévèlentdesspectresd'absorptionàdoublerésonance,signed'uncouplageplasmon-exciton.
Enutilisantunmodèleanalytiquededeuxoscillateurscouplés[5],nousavonsmontréquelerégime
de ce couplage est le régime Fano, caractéristique d'une interférence entre les deux résonances
plasmonique et excitonique. Ces analyses ont été appuyées par des simulations des spectres d'absorption et de la distribution spatiale du champ proche optique. Les cartes du champ optique ont
montré que l'interaction est essentiellement localisée dans le gap entre les nanodisques [6]. Pour
moduler cette interaction, nous avons joué sur l'énergie de l'exciton ainsi que sa largeur, en changeant la température de l'échantillon. Un changement de l'énergie et de la forme de la résonance
Fanoaétéobservé.Lavariationdufacteurdecouplageenfonctiondelatempératureaétéextraite
moyennantun_tdesspectresd'absorptionparunmodèleanalytique.
Ces résultats contribuent à une meilleure compréhension de l'interaction lumière-matière dans les
nanosystèmes plasmoniques hybrides et ouvrent la voie à des nouveaux nanomatériaux fonctionnels.
1.Z.Weijie,R.MendesRibeiro,G.Eda,AccountsofChemicalResearch48,91(2015)
2.W.Q.Hua,K.Kalantar-Zadeh,A.Kis,J.N.Coleman,M.S.Strano,Nat.Nanotechn.7,699(2012)
3.E.PetryayevaandU.J.Krull,Anal.Chim.Acta706,8(2011)
4.S.Najmaei,A.Mlayah,A.Arbouet,C.Girard,J.Léotin,J.Lou,ACSNano,8,12,12682(2014)
5.X.Wu,S.K.Gray,andM.Pelton,Opt.Express,18,23,23633(2010)
6.I.Abid,A.Bohloul,S.Najmaei,C.Avendano,H.-L.Liu,R.Péchou,A.Mlayah,etJ.Lou,Nanoscale,8,81518159(2016)
Mots-Clés:plasmons,matériaux2D,couplageFano
Polarization-dependantstrongcouplinginsilver
nanorodarraysusingphotochromicmolécules
GwénaëlleLamri
LaboratoiredeNanotechnologieetd'InstrumentationOptique(LNIO)CNRS:FRE2671,UniversitédeTechnologiedeTroyes12rueMarieCurie-BP206010010TROYESCEDEX
Surface plasmon resonances can couple with molecular resonances (excitons) leading to weak or
strongcouplingregimes.Thelatterisalwaysobservedwhentheplasmonorthemolecularexciton
presentsalargeoscillatorstrength(high-QplasmoniccavitiesorJ-aggregates).Wereportherethe
observation of a strong coupling regime between the surf ce plasmon resonance of a nanoparticle
array and the molecular excited state of photochromic molecules, both of them presenting weak
oscillator strength. 50-nm high silver nanorods were fabricated in large arrays using standard electron beam lithography on a glass substrate. Spiropyran (Spy) molecules were diluted into a Poly-
methylmethacrylate(PMMA)solution.Thissolutionwasspin-coatedontothenanoparticlearraysin
order to get a 60 nm-thick Spy-doped PMMA layer. Under UV irradiation, the photochromic transformation of the uncolored Spy molecule involves the rupture of the C-O bond in the pyran ring,
leading to a colored merocyanine like dye (MC isomer) showing a broad absorption band peaking
around570nm.SurfaceplasmonresonancesofthecoatedAgnanorodswerecharacterizedbystandardextinctionspectroscopyforpolarisationalongthetwoaxisaxes.AllspectraobtainedwerenormalizedwithrespecttothetransmissionoftheSpy-dopedPMMA_lm.
This study has been performed for threeby varying independently therod widthweigths (50 nm, 75
nmand100nm)andtherodlengthfornanorodlengthsvarying(from50nmto200nm).Thearray
pitchhasbeenvariedtoreachacommon_llingfactorwascommontoof6%foreacharray.Forthe
polarisationalongthelongaxisofthenanorod,thephotochromictransitiontransformationleadsto
ashiftoftheresonanceplasmon(about15nm).WhileOntheotherhand,forthepolarisationalong
the short axis, two distinct peaks appears and this suggests a degeneracy breaking between two
stronglyinteractingstates.
Mots-Clés:Plasmon,spiropyran,exciton,plasmoncoupling
Lananoplasmoniqueindirectepourunedétectiontrèssensiblede
l'adsorption/désorptiondemoléculesd'eausurdessuies.
BenjaminDemirdjian,FrédéricBedu,AlainRanguis,IgorOzerov,Artak
Karapetyan,andClaudeR.Henry
CentreInterdisciplinairedeNanosciencedeMarseille(CINaM)AixMarseilleUniversité,CNRS:
UMR7325CINaM-CNRSCampusdeLuminyCase91313288MarseilleCedex9,France
La nanoplasmonique indirecte nous permet de sonder l'adsorption/désorption de molécules d'eau
surdifférentessuies.L'augmentationdel'humiditérelativedumilieuenvironnantinduitunchangementdelongueurd'ondedelaréponsedelarésonancedeplasmonsdesurfacelocalisésdenanodisquesd'orsurlesquelslesparticulesdesuiessontdéposées.Nousobservonsun"blue-shift"singulier et réversible avec des suies hydrophiles, interprété à partir d'un modèle simple, comme un
changementmorphologiqueréversibledesagrégatsdesuie.Cettenouvelleméthodeesttrèssensibleetintéressantepoursuivrelechangementdespropriétésoptiquesdesaérosolsaucoursdeleur
vieillissementdansl'atmosphèreoùilspeuventadsorberetréagiravecdifférentesmolécules.
MiseenévidenceparspectroscopieRamanexaltéedel’interaction
desprotéinesfluorescentesDsRedavecdesnanoparticulesd’argent
enterréesdansdescouchesmincesdesilice
MarvineSoumbo1,AdnenMlayah2,AlessandroPugliara1,2,Marie-CarmenMonje3,
ChristineRoques3,BernardDespax1,CarolineBonafos2,RobertCarles2,andKremena
Makasheva1
1
LAPLACE,UniversitédeToulouse;CNRS,UPS,INPT;118routedeNarbonne,31062Toulousecedex9
2
LGC,UniversitédeToulouse;CNRS,UPS,INPT;35chemindesmaraîchers,31062Toulousecedex9,
3
CEMES-CNRS;UniversitédeToulouse,29rueJeanneMarvig,BP94347,F-31055Toulousecedex4
Lesnanoparticulesd’argent(NPsd’Ag)possèdentuneforteactivitéantimicrobiennecontredesbactéries, des virus ou d’autres microorganismes. Cependant, les mécanismes d’interaction au niveau
moléculairerestenttrèspeuconnusmalgrél’utilisationintensivedeceteffetdansdesapplications
industrielles.
Les travaux de la littérature montrent la complexité de ce phénomène ne et soulignent l'action
conjuguéedesNPsd'Agetdesionsd'argent(Ag+)quiaugmentelatoxicitéd'argentviadesinteractionsaveccertainsgroupementfonctionnelsdesprotéinesdanslesmicroorganismes.LesNPsd'Ag
sont également bien connues comme antennes plasmoniques efficaces permettant l'exaltation des
signaux vibrationnels et luminescents de molécules situées à leur voisinage. L’objectif de ce travail
est d’exploiter cette ambivalence afin d’identifier et de décrire les mécanismes moléculaires à
l’originedel’adsorptiondesprotéinessurdessurfacesdesubstratsdiélectriquescontenantdesNPs
d’Ag.
Cessubstratscompositessontélaboréspardeuxméthodesphysiquesparfaitementcomplémentaires:(i)pulvérisationd’argentsuivied’unepolymérisationplasmaet(ii)implantationioniqued’argent
àbasseénergie.Lesdeuxméthodesoffrentlapossibilitéd’insérerunplandeNPsd’AgdansunematricedeSiO2àunedistancenanométriquecontrôléedelasurface.Lesprogrèsrécentsenbiotechnologieetenbiologiecellulairemontrentclairementl’intérêtd’exploiterlespropriétésfonctionnelles
desprotéines,enparticulierdesprotéinesfluorescentes.Celles-cipeuventêtreutiliséescommebiocapteursdanslessystèmesdedélivrancecontrôléedemédicaments,enbioélectronique,etc.Notre
choixs’estportésurlaprotéineDiscosomarougefluorescente(DsRed),quiestlederniermembrede
lafamilledesprotéinesfluorescentes.Cetteprésentationmontredesrésultatssurl'interactiondela
DsRedavecdessubstratsplasmoniques.Cetteprésentationmontredesrésultatssurl’interactionde
laDsRedavecdessubstratsplasmoniques.L’analysephysico-chimiquerelèvequel’adhérencedela
DsRedsurunesurfacediélectriqueneconduitpasàladénaturationdelaprotéine.ToutefoislaphotoluminescencedelaDsRedaprèsdéshydratationestlégèrementdécaléeverslerouge,parrapport
àcelleobtenueensolution.Lamiseenévidenced’uneexaltationimportantedusignalRamandela
protéine(effetSERS)témoigned’interactionsmoléculairesetstructuralesimportantessurcessubstrats.
Mots-Clés:spectroscopieRaman,nanoparticulesd'argent,NPsd'Ag,silice,substratsplasmoniques,
protéinesfluorescentes,Discosomarougefluorescente,DsRed
Comparativestudiesofmetallicplasmonicnanoparticles
ArturMovsesyan,Anne-LaureBAUDRION-BEAL,PierreMichelADAM
UniversitédeTechnologiedeTroyes,France
A localized surface plasmon resonance (LSPR) generated by an interaction of light and a metallic
nanoparticle(NP)opensawidehorizonofstudiesinthedifferentfieldssuchasbiosensing,healthcare, tumor treatment, etc.. Nevertheless, the LSPR is very sensitive to interaction conditions: material,environment,geometry,polarizationorangleofincidence.
This investigation aims to fulfill a numerical and an experimental comparative study of the various
sizenanonparticles'LSPRevolutionusingdifferentlightsourcesandilluminationtypes.ThesimulationsaredonewithhelpofacommercialsoftwarefromLumericalSolutionsInc.basedontheFDTD
method.WeverifytheLSPRshiftscausedbythewell-knownvariations(size,geometry,environment
changes).AsapointsourceisusedaverticaldipoleplacedinthevicinityofAgNP.Onemayobserve
thatthereisLSPRshiftfordifferentdistancesbetweenthesourceandNP.Moreover,theLSPRfor
dipolesourcevariesfromplanewaveilluminationLSPR.WefurtherfindthatthereisLSPRshiftforan
horizontaldipoleaswell.TheLSPRshiftisquiteintuitiveforadipolesourcedependingonthedistance between itself and NP, as we have coupled system. We demonstrate the electric field maps
comparison of differently oriented dipoles and plane wave, which also can show the nature of the
LSPRshift.Atthecurrentstage,ourworkshowspromisingresults.Forfuturewewilldocomparative
studiesviaexperimentsandmaketheagreementwithnumericalsimulations.
Mots-Clés:Nanospectroscopy,DarkFieldMicroscopy,FDTD
Advancedplasmonicforthestudyofbiological
Phenomena
MarineBoulade1,2,LivacheThierry ,LoïcLeroy ,andPaulG.Charette2
1
1
1
Structuresetpropriétésd'architecturesmoléculaire(SPRAM-UMR5819),UniversitéJosephFourier
-GrenobleI,CNRS:UMR5819,CEA(SPRAM-UMR5819),InstitutNanosciencesetCryogénie,
CEA/Grenoble,17Ruedesmartyrs38054GRENOBLECEDEX9,France
2
UniversitédeSherbrooke(CANADA),Canada
Context
Bacteriadetectionisacentralissueinsanitarycontrolsinfoodproductsasinmedicine.Whenavery
smallamountofbacteriaistobedetected,typicallybetweenoneandahundred,standardmethods
are based on bacteria growth and therefore incubation period of more than 18h. Consequently, a
periodofatleast36hisneededtoidentifyapathogen.
Thisdelayisconstrainingbothinfoodindustry,andinthemedicine,asearlydetectionisessentialfor
foodsafetyorfortreatment.Asaresult,thereisaconstantdemandforfaster,moreeffectivebacteriadetectiontools.
Imaging SPR systems are quite adapted to microbiology diagnosis, because they enable real time,
multiplexedandlabel-freedetection,whilebeingquiteeasytouse.Theinter-actionbetweenabacterium and some speci_c ligands _xed on a golden chip is responsible for a change in the reection
indexinthevicinityofthesurfaceandwillcreateaspeci_cplasmonicsignal.Theuseofimagingsystemspermitstomultiplexthedetectionby_xingdifferentprobesintothesurface,givingthepossibilitytodetectmanypathogensinasingletest.
OneofthemaininterestsofSPRsystemsisthereabilitytoworkincomplexmedia.Thelightreected
intotheexternalsurfaceofthegoldenchipisdetected,anditdoesnotpassthroughthesolution,
thereforeitisnotsignificantlyaffectedbytheturbidityofthesolution.Thisisabigadvantagecomparedtootherdetectiontechnicsbasedoncolorimetryorspectroscopy,whichcanonlyworkwith
clean solution. All this techniques however have the same average detection limit around 104
cfu/mL.
Inrealsituation,whenagoodiscontaminatedwithabacteria,thepathogenconcentrationisorder
ofmagnitudelowerthanthedetectionlimit,andwemustusebacterialgrowthtoincreasetheconcentration, resulting in longer delays of detection. However, this remains a quicker technique than
standardmethods,becauseitisarealtimetechnique,andthereforeitcanbecarriedoutinlessthan
10hours.
Plasmonicphotoconductanceinfree-standing
monolayeredgoldnanoparticlemembranes
1
ElieTerver1,2,MélanieGauvin1,ThomasAlnasser1,InesAbid2,AdnenMlayah2,Xie
Shenqui3,JuergenBrugger3,BenoitViallet1,LaurenceRessier1,andJérémieGrisolia1
Laboratoiredephysiqueetchimiedesnano-objets(LPCNO),CNRS:UMR5215,UniversitéPaul
Sabatier(UPS)-ToulouseIII,InstitutNationaldesSciencesAppliquées[INSA]–Toulouse,135ruede
Rangueil31077TOULOUSECEDEX4
2
Centred'élaborationdematériauxetd'étudesstructurales(CEMES),CNRS:UPR8011,29Rue
JeanneMarvig-BP434731055TOULOUSECEDEX4
3
EcolePolytechniqueFédéraledeLausanne(EPFL),SwissFederalInstituteofTechnology
EPFL-FSTIIEL-LTS2,Station11Lausanne1015-Switzerland,Suisse
Localized surface plasmon have been intensively studied and successfully used in a broad range of
devices based on nanoparticles assemblies (NPs). However the coupling of electron transport
through the assemblies and plasmonic characteristics of NPs is still under investigation and could
provideafoundationforanewclassoflight-responsivematerialswithpotentialapplicationsinsensingoroptoelectronics.
Inordertounderstandtheinterplaybetweensurfaceplasmonresonanceandelectricalconductance
andmechanismsatstake,itisprimordialtolowertheinfluenceofparasiteparameterssuchassubstrate of the assemblies and to provide a model system. So far, we managed to assemble robust,
conductive,monolayered,free-standingNParrays,socalledNPmembranes.
Inthiswork,weinvestigatethephotoconductancegenerationinNPmembranesunderfocusedlaser
illumination. We carried out that the amplitude of the induced current is correlated with the plasmonicresonanceoftheNParraysbutalsostronglydependsofilluminationpowerandpolarization
voltage. The absence of a substrate also leads to a 50% raise of the photocurrent at the resonant
wavelength.DDAsimulationsshowedthatatleasthalfofthisincreaseisduetotheopticalpropertiesofthesubstrate.Finally,accordinglytothetemperaturedependenceofelectricalconductance,
thephotocurrentinthefree-standingNPmembranecanbeinterpretedasacombinationofatrap
statedynamicsandathermallyactivatedphenomenon.
Mots-Clés:nanoparticles,plasmoelectronics,photocurrent,free,standingmembrane
MonolithicAlGaAsSecondHarmonicnanoantennas
ValerioFlavioGili
MatériauxetPhénomènesQuantiques,UniversitéParisDiderot-SorbonneParisCité(MPQ)
-UniversitéParisVII-ParisDiderot,10rueA.DomonetL.Duquet,75013Paris
Metal-lessnanophotonicshasrecentlyraisedanincreasinginterestbecausetheopticalresponseof
highpermittivitydielectricnanoparticlesinalowrefractiveindexbackgroundexhibitsnegligibledissipativelossesandstrongmagneticmultipoleresonances[1{3]inthevisibleandnear-infraredbands
oftheelectromagneticspectrum.Inthisframewedemonstratesecondharmonicgenerationfroma
1554-nmpumpbeaminmonolithicAlGaAsnanoantennasonanAlOxsubstrate,withapeakconversione_ciencyexceeding10-5,infullagreementwiththeoreticalpredictions[4].
A. I. Kuznetsov, A. E. Miroshnichenko, Y. H. Fu, J. Zhang, and B. Luk'yanchuk, "Magnetic light," Sci.
Rep.2,1{6(2012).
A. B. Evlyukhin, S. M. Novikov, U. Zywietz, R. L. Eriksen, C. Reinhardt, S. I. Bozhevolnyi, and B. N.
Chichkov,"Demonstrationofmagneticdipoleresonancesofdielectricnanospheres
intheviszibleregion",NanoLett.123749-3755(2012).
S. Person, M. Jain, Z. Lapin, J. J. S_aenz, G. Wicks, and L. Novotny, "Demonstration of zero optical
backscatteringfromsinglenanoparticles",NanoLett.131806-1809(2013).
L.Carletti,A.Locatelli,O.Stepanenko,G.Leo,andC.DeAngelis,"Enhancedsecond-harmonicgenerationfrommagneticresonanceinAlGaAsnanoantennas,"Opt.Express23,26544{26550(2015).
Mots-Clés:Integratedopticsdevices,Subwavelengthstructures,Harmonicgenerationandmixing,
DielectricMetasurfaces
Listedesparticipants
Nom
Abid
agez
Alvarez
Anglaret
Arbouet
Baillieul
Barbillon
Barchiesi
Beaufils
Bonafos
Boubekeur-Lecaque
Boulade
Cakir
Carles
Carminati
Caruso
Chevillot-Biraud
Clément
Cloarec
ColasdesFrancs
Cuche
Cure
Demirdjian
Dujardin
Fafin
Fau
Felidj
Finot
Genet
Gili
Gillibert
Girard
Grisolia
Izard
Jiang
Kociak
Lacroix
Lamri
LamydelaChapelle
Laurent
Lemarchand
Leray
Lidgi-Guigui
Makasheva
Prénom
Ines
Gonzague
Laurent
Eric
Arnaud
Marion
Grégory
Dominique
Clément
Caroline
Leila
Marine
Deniz
Robert
Remi
GiuseppeMario
Alexandre
Jean-Emmanuel
Jean-Pierre
Gérard
Aurélien
Jeremy
Benjamin
Erik
Alexandre
Pierre
Nordin
Eric
Cyriaque
valerioflavio
Raymond
Christian
Jérémie
Nicolas
Quanbo
Mathieu
Lise-Marie
Gwénaëlle
Marc
Christian
Cédric
Aymeric
Nathalie
Kremena
Email
[email protected]
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[email protected]
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[email protected]
[email protected]
[email protected]
Marty
Mauchain
Mlayah
Monje-Lacombe
Moreau
Moustaoui
Movsesyan
Orrit
Paillard
Pham
Plain
Plissonneau
Ragheb
Rinnert
Roques
Roux
Silva
Soulantika
Soumbo
Terver
Teyssedre
Tijunelyte
Torresin
Usureau
Valmalette
Vassant
Warot-Fonrose
Weber
Wenger
Wiecha
Zamora-Ledezma
Jean-Daniel
Julien
Adnen
Marie-Carmen
Julien
Hanane
Artur
Michel
Vincent
Aline
Jérôme
Marie
Iman
Emmanuel
Christine
Clément
SIDNEY
Katerina
Marvine
Elie
Gilbert
Inga
Olivier
Elise
Jean-Christophe
Simon
Bénédicte
Sébastien
Jérome
Peter
Camilo
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