Experimental and theoretical study of the optical properties of plasmonic nanocomposites thin films fabricated under laser and concentrated solar irradiation

Etude expérimentale et théorique des propriétés optiques de nanocomposites plasmoniques fabriqués par irradiation laser et sous flux solaire concentré

Elie Nadal (1)

1 PROMES - Procédés, Matériaux et Energie Solaire

This dissertation deals with the study of plasmonic nanocomposites and, more precisely, polymer thin films loaded with gold and silver nanoparticles. In this work, we developed two original fabrication techniques based on in situ synthesis of nanoparticles in polymer films under irradiation. In the first approach, our aim is to control the organization of the nanoparticles within the polymer films by using a spatially controlled irradiation by laser interferometry. We show that the plasmonic nanoparticle gratings thus formed present unusual diffractive properties that strongly depend on the plasmonic features of the system. We call this phenomena plasmon enhanced diffraction. In a second method, we study in situ synthesis of nanoparticles in polymer thin films under concentrated solar irradiation. This study is focused on the effect of concentrated solar irradiation on the growth mechanism and the morphology of the nanostructures. We have shown that it is possible to control the size of the gold nanoparticles synthesized in situ by varying the solar flux. Along with experiments, we developed a semi-analytical approach that combines modeling of the materials as effective media with the RCWA method (Rigorous Coupled Wave Analysis), which allows us to compute the optical properties of the nanocomposites.

Cette thèse porte sur l'étude de nanocomposites plasmoniques et, plus particulièrement, sur des couches minces de polymère dopées en nanoparticules d'or et d'argent. Les travaux réalisés concernent le développement de deux approches de fabrication originales fondées sur la synthèse in situ de nanoparticules dans une matrice de polymère sous irradiation. La première méthode envisagée étudie l’organisation de nanoparticules d’or dans les films de polymères en les irradiant de manière contrôlée dans l'espace par interférométrie laser. Ainsi, nous obtenons des réseaux de nanoparticules qui révèlent des propriétés de diffraction atypiques dont la réponse spectrale dépend fortement de la réponse plasmonique du système. Nous appelons ce phénomène diffraction amplifiée par plasmon. La seconde approche de fabrication développée a pour but de réaliser la synthèse de nanoparticules in situ dans des films de polymère sous rayonnement solaire concentré. Nous nous sommes intéressés, en particulier, à l'influence de l'irradiation solaire concentrée sur les processus de formation des nanoparticules et sur leur morphologie finale, dans le but de contrôler les propriétés optiques du système. Nous avons notamment montré qu’il est possible de contrôler la taille des nanoparticules d’or formées in situ dans les films de polymère, en faisant varier le flux du rayonnement solaire. En parallèle de ces travaux expérimentaux, une approche semi-analytique combinant une description des matériaux en termes de milieux effectif à la méthode RCWA (Rigorous Coupled Wave Analysis), a été développée pour calculer les propriétés optiques des nanocomposites.

Mots clés: Plasmons; Nanoparticles; Nanocomposites; In situ synthesis; Modeling

Mots clés: Nanoparticules; Synthèse in situ; Modélisation

Domaines: Physique [physics]

Elie Nadal. Etude expérimentale et théorique des propriétés optiques de nanocomposites plasmoniques fabriqués par irradiation laser et sous flux solaire concentré. Physique [physics]. Université de Perpignan, 2017. Français. ⟨NNT : 2017PERP0029⟩. ⟨tel-01681353v1⟩