Les couleurs changeantes d`un film d`or nanométrique

Les couleurs changeantes d’un film d’or
nanométrique
Illustrations expérimentales autour de la résonance de plasmon
Olivier Pluchery
[email protected]
Institut des NanoSciences de Paris – Université Pierre et Marie Curie, Paris
La plasmonique
L'or est un métal connu et utilisé depuis la nuit des temps.
Pourtant, il réserve encore bien des surprises, notamment
lorsqu'on observe des objets de taille extrêmement petite,
de l'ordre du millionième de millimètre (le nanomètre).
Des expériences d’optique illustrent comment l’or change
de couleur à ces très petites tailles et ces propriétés
visuelles varient fortement avec la présence d’éventuelles
espèces chimiques situées à moins de 10 nm du film d’or.
Ce domaine d’études scientifique s’appelle la
plasmonique. Il permet notamment de réaliser des
capteurs biologiques ou chimiques ultra-sensibles.
Pourquoi l’or
apparaît-il jaune ?
Les métaux apparaissent gris habituellement car il
réfléchissent de manière équivalente toutes les couleurs du
faisceau de lumière blanche qui sert à les éclairer.
La lumière blanche
La lumière blanche est l’addition de
toutes les couleurs du spectre lumineux.
v i s i b l e
300
400
500
600
700
800
Longueur d'onde (nm)
Une pellicule d’or de 50 nm
n’est plus jaune…
L’expérience de résonance de plasmon de surface
Un faisceau de lumière blanche est dirigé sur une
pellicule d’or de 50 nm d’épaisseur. Dans certaines
conditions, le faisceau réfléchi change de couleur et l’or
n’apparaît plus avec sa couleur jaune habituelle.
L’or en revanche, absorbe la
composante bleue de la lumière
si bien que le faisceau réfléchi est
d’une couleur complémentaire
du bleu, c’est-à-dire, jaune.
L’onde plasmon de surface
en physique
Écran d’observation
Lumière
blanche
Lumière
réfléchie
lampe
polariseur
Lumière blanche
zoom
50 nm
d’or
Onde de surface dans le vert
[Onde plasmon]
Onde
évanescente
Diffusion de l’onde
plasmon par les
irrégularités du film
d’or
• La lumière est constituée d'un champ électrique et d'un
champ magnétique variant périodiquement dans le
temps et l'espace
• Pour que la lumière se propage, le champ doit obéir à une
équation qui impose une relation entre k et ω : la relation
de dispersion
Relations de dispersion
onde plasmon
Faisceau lumineux dans
un
prisme
en
verre
d’indice n, sous l’angle
d’incidence θ
Onde plasmon à l’interface
entre
des
milieux
de
permittivité diélectriques 1
et 2
verre
n=1,58
Un film d’or nanométrique réfléchissant une lumière verte
Un film d’or nanométrique réfléchissant une lumière jaune
int
Pour un certain angle du prisme, l’une des longueurs
d’onde du faisceau incident parvient à exciter l’onde
plasmon. Cette longueur d’onde n’est plus réfléchie et le
faisceau émergent change de couleur (couleur
complémentaire à celle de l’onde plasmon).
Film d’or
e=50 nm

k  
c
4
546nm
1
 1    2   
Relations de dispersion
pour plusieurs types d'onde
0
 1     2   
En mesurant
l’intensité réfléchie
en fonction de
l’angle du faisceau
incident, on note
une extinction qui
dépend de la
longueur d’onde.
onde lumineuse
dans du verre
 = 60°
2

k x   n sin 
c

kx  
c
couplage avec
le plasmon
578nm
633nm
3
0
10
20
30
40
50
60x10
6
-1
kx (m )
1.2
Gray scale (normalized)
Faisceau lumineux dans le
vide ou dans l’air. C’est
une droite appelée aussi
ligne de lumière
Forme exacte de la relation
de dispersion de l'or
432nm
-1
Photos de l’expérience de résonance de plasmon de surface
Relation de dispersion
 (rad.s )
Type d’onde
15
domaine du visible
5x10
Ligne de
lumière
(a) 633 nm (red)
(b) 589 nm (yellow)
(c) 546 nm (green)
1.0
0.8
0.6
43.1
42.3
0.4
41.8
39
40
41
42
43
44
internal angle (deg)
Courbes d’extinction plasmon
pour les longueurs d’onde rouge, jaune et verte.
Exposition Poitiers 2012