Convective-Capillary Force Assembly of colloids : Plasmonic applications
Assemblage convectif de colloïdes par forces de capillarité en milieu confiné : Applications en plasmonique
Résumé
Nanomaterials represent a thriving field of research in various areas: On the one hand, miniaturization increases transmission speed and information storage in the field of communication technologies. On the other hand, materials size reduction reveals new and remarkable physical properties (optical, electrical, etc.) that open the way for a variety of applications (nanoelectronic devices, molecular sensors, etc.). A major challenge is the fabrication or the integration of functional nanostructures in order to exploit their intrinsic properties. In line with this context, we developed a nanofabrication approach from colloidal suspensions that is based on the capillary force assembly technique. This new approach consists in controlling in confined medium the evaporation of a colloidal suspension onto a pre-patterned substrate via a thermoelectric device associated to an air-suction system. The physical phenomena that take place during the assembly were studied at the macro- as well as at the nano-scale. Thus, temperature and air-suction flow were acknowledged as complementary parameters for controlling the evaporation, contact-line displacement, contact-angle and colloidal motion. In this way, colloids of various materials and sizes (gold and polystyrene from 50 nm up to 1 μm) were assembled into complex structures. In particular, deterministic metallic objects were created in order to study their plasmonic interactions. Gold dimers with variable inter-particle distances showed a strong plasmonic coupling.
Les nanomatériaux représentent un sujet de recherche en plein essor dans des domaines variés : D'une part, la miniaturisation augmente la vitesse de transmission et le stockage de l'information dans les technologies de la communication. D'autre part, la réduction en taille des matériaux révèle des propriétés physiques (optiques, électriques, etc.) nouvelles et étonnantes qui ouvrent la voie à de nombreuses applications (dispositifs nanoélectroniques, capteurs moléculaires etc.). Un grand défi consiste à fabriquer ou intégrer des nanostructures fonctionnelles afin d'exploiter leurs propriétés physiques intrinsèques. Dans ce contexte, nous avons développé une nouvelle approche de nanofabrication à partir de nanomatériaux colloïdaux basée sur l'assemblage par forces de capillarité. Cette technique consiste à contrôler l'évaporation en milieu confiné d'une suspension colloïdale sur un substrat lithographié grâce à un dispositif thermoélectrique associé à un système d'aspiration d'air. Les phénomènes physiques mis en jeu pendant l'assemblage ont été étudiés aussi bien à l'échelle macro- que nano-scopique. Ainsi, la température et le débit d'aspiration se sont révélés être des paramètres complémentaires pour le contrôle de l'évaporation, le déplacement de la ligne de contact, l'angle de contact et le mouvement colloïdal. De cette manière, des colloïdes de taille et nature (or et polystyrène allant de 50 nm à 1 μm) variées ont été assemblés dans des structures complexes. En particulier, des objets métalliques déterministes ont été crées afin d'étudier leurs interactions plasmoniques. Des dimères d'or de distance inter-particule variable ont démontré un fort couplage plasmonique.