Le LEPO rassemble les activités de recherche du SPEC dans le domaine de la Physique des Interactions en Champ Proche.
Les moyens et dévelopements expérimentaux au LEPO
Nanophotonique
Le LEPO effectue des recherches dans le domaine de l’interaction lumière-matière à l’échelle nanométrique, notamment dans des assemblées de nanoparticules et des systèmes moléculaires ou hybrides organisés.
Les propriétés photoniques de la matière condensée dépendent autant des propriétés intrinsèques de ses constituants (molécules, réseau cristallin,…) que de leur organisation aux échelles nanométriques. Outre la conception et l’étude de nano-objets photoniques originaux (en collaboration avec d’autres équipes en sciences des matériaux), l’approche du LEPO repose également sur le développement de méthodes originales de mesures en champ proche, de façon à comprendre les processus photoniques aux échelles spatiales et temporelles pertinentes.
Ainsi, le groupe a développé un savoir-faire important d’une part dans la microscopie de photoémission d’électrons et d’autre part dans le couplage de mesures de micro-spectroscopie optique (absorption, fluorescence, diffusion Raman, conversion de fréquence) avec des microscopies à sondes locales (AFM, STM). Une attention particulière est portée à l'AFM, pour lequel un mode original d'acquisition ("Zéro Phase Modulation") est en cours de valorisation.
® Une sélection de nos moyens et développements expérimentaux est proposée dans notre page "galerie".
Nos principaux projets de recherche en cours, décrits plus en détail ci-dessous, concernent les exaltations locales de champ en plasmonique, métamatériaux ou matériaux 2D, et leurs applications dans des techniques d’imagerie et de microscopie avancées pour la biologie, le biomédical (capteurs et photothérapie), l’optoélectronique, les matériaux … Le LEPO s’intéresse aussi à des thèmes plus prospectifs tels que la manipulation optique de nano-objets ou la photonique à 1 photon, 1 électron, 1 molécule …
Ferroelectric nanocrystals for optical sensing / labeling
Nous nous intéressons aux propriétés optiques (génération de second harmonique, fluorescence) de nanocristaux de BaTiO3 dopés par des terres rares et éventuellement associés à des nanoantennes plasmoniques. Ces objets constituent une nouvelle classe de marqueurs pour l’imagerie en biologie, avec des applications potentielles pour la caractérisation du transport intraneuronal (ANR SINAPSE) ou pour la détection du changement de potentiel extracellulaire (ANR UFO). Compte-tenu de leurs propriétés piezoélectriques, tout changement électrique à proximité de ces nanoparticules entraine en effet une modification de leur spectre de photoluminescence.
Partenaires : ENS Paris saclay / LUMIN (coordinateur) – F. Marquier / F. Treussart ; Institut Langevin : T. Pons, Lequeux ; IOGS : JJ Greffet, M. Besbes ; CS/SPMS : B. Dkhill, C. Paillard ; ICB : N. Millot ; METSY : F. André, L. Mir
Projet POPCORN
Photochimie et photophysique des plasmons en vue du contrôle de la polymérisation en champ proche
POPCORN vise à analyser le rôle relatif des photons (1), porteurs de charges (2) et chaleur (3) dans la polymérisation assistée par plasmons à la surface d'une nanoparticule (NP). Pour ce faire, différents systèmes de référence bien définis seront considérés et un large éventail de techniques complémentaires de pointe, résolues temporellement (photo-émission d’électrons, spectroscopie champ sombre) ou spatialement (TEM, SERS) sera mise en œuvre afin de révéler la physique en jeu. POPCORN ouvrira de nouvelles perspectives dans le domaine de la nanofabrication, la photocatalyse assistée par plasmon, la photothérapie (Photothermie, ROS) ou le photovoltaique.
C. Fiorini (coordinatrice), L. Douillard
Partenaires : IS2M : O. Soppera ; L2N : PM Adam, R. Bachelot ; CEA NIMBE : S. Marguet
Projet POEEMS
Physique des matériaux émetteur d'électrons
Objectif : produire des sources d'électrons à fort courant d'émission en conditions extrêmes de champ électrique, de température, de réponse à long terme.
Nouvelle famille de matériaux de cathode : la fibre de nanotubes de carbone
Nouveau mécanisme d'émission : effet tunnel induit par un champ électrique statique photoassisté.
Projet PLASMONISC
Influence d'une antenne plasmonique sur le croisement intersystème au sein d'une molécule unique
Nanomanipulation en 3D d'une nanoparticule d'or par sonde locale, combinée à l'analyse de fluorescence par détection de photons corrélés en temps.
Mesure complète des différents taux de conversion suivant la présence ou la position de la nano-antenne plasmonique que constitue cette nanoparticule d'or.
Partenaires : S. Marguet (CEA/NIMBE), L. Sosa-Vargas (Sorbone Université)
Projets STACSAMGRAPH et LESOMMETA
Architectures moléculaires auto-organisée pour l'émission de lumière
- Hétérostructures de Van-der-Waals basées sur des couches moléculaires auto-assemblées sur graphène
- Métamatériaux auto-assemblés utilisant les mésophases (phases cristal-liquides) de dérivés de colorants organiques
Partenaires : D. Kreher (UVSQ), L. Sosa-Vargas, F. Mathevet (Sorbone Université), AJ Attias (UMI 2B-FUEL)
Matériaux organiques photochromiques pour le calcul neuromorphique
- Optimisation des réponses combinées de dichroisme, biréfringence, et déformations photoinduites pour moduler la transmission optique par un faisceau optique de contrôle de basse puissance.
- Implémentation de ce principe comme synapse optique dans des réseaux neuromorphiques tout-optiques
F. Charra (coordinateur Photomic), C. Fiorini
Partenaires : S. Barbay, L. Calvet (C2N) ; K. Nakatani, R. Métivier (ENS paris Saclay/PPSM)
Image AFM (en bleu) à l’air en faible force sur des anticorps murins Anti-Ovalbumine (IgG) par sonde diapason (photo). On peut distinguer sur le film interfacial dense la formation locale de structures multimériques circulaires d’un rayon d’une quinzaine de nanomètres, comparables à celle d’anticorps de type IgM.
Projet DART
Détecteur AFM rapide en tapping-mode
La Microscopie à Force Atomique (AFM) est un outil d’investigation des forces locales qui permet notamment d’observer la morphologie d’une surface. Sa polyvalence lui permet d’être employé dans divers environnements (atmosphériques, gaz, sous vide, en milieu liquide) sur une variété de matériaux incluant les isolants, les interfaces liquide-solides et les surfaces biologiques.
Dans le projet DART, nous développons une microscopie à partir de quartz (diapason) en mode 0PM-AFM (Zéro Phase Modulation) qui permet d’étudier commodément à l’air et en milieu liquide les systèmes fragiles. Grâce au facteur de qualité élevé de la sonde diapason qui lui fournit une sensibilité élevée, nous pouvons observer la morphologie de films tridimensionnels d’alcanes sur graphite à l’échelle atomique, ou caractériser directement à l’air la structure des films fonctionnels des biocapteurs que nous réalisons.
Partenaire : Biophy (Tescan Analytics)
Projet HYDRAE
Détection HYperspectrale de contaminants par Diffusion RAman Exaltée de surface
La diffusion Raman exaltée par la surface (SERS) est une technique sensible à la surface bien établie pour détecter la présence de traces d'analytes moléculaires. Dans une description électromagnétique, le mécanisme du SERS repose en partie sur l'excitation de plasmons de surface localisés dans des films métalliques aléatoires. Les plasmons de surface génèrent des champs électromagnétiques considérablement amplifiés, confinés dans des régions d'échelle nanométrique appelées "points chauds". Bien que l'impact des singularités de surface sur les matériaux plasmoniques ait été largement étudié, la fabrication de substrats SERS efficaces demeure un défi. Dans ce projet, la corrélation entre les réponses optiques en champ proche et en champ lointain de substrats SERS métalliques aléatoires fabriqués par dépôt physique en phase vapeur est étudiée. La microscopie électronique à photoémission (PEEM), une technique de cartographie en champ proche à haute résolution, est utilisée pour accéder aux propriétés statistiques de la distribution de l'intensité et de la localisation des points chauds des films Au évaporés. La technique d'évaporation de films minces constitue un moyen simple et efficace de préparer rapidement et d'optimiser les substrats SERS.
Partenaires : J.-F. Bardeau (Le Mans Université), Ludovic Duponchel (Université de Lille)
Image PEEM d'un substrat de film Au aléatoire sous excitation optique à 630 nm, champ de vision de 10 µm, et vue d'ensemble du l'instrument.
TITANS: Tailored Interfaces and Tunable Architectures at the Nanometer Scale
(contact : Fabien Silly)
Matériaux, surfaces et nanostructures
Les propriétés remarquables des nanostructures (morphologique, magnétique, catalytique ...) sont de plus en plus exploitées. Ces nanostructures sont généralement obtenues à la surface d'un substrat, où sous l'effet des forces interatomiques, la matière s'organise spontanément à l'échelle nanométrique.
L'objectif des recherches en nanophotonique est de maîtriser les interactions lumière / matière aux échelles inférieures à celle de la longueur d'onde (la longueur d'onde de la lumière visible est comprise entre 400 et 700 nm). La photonique comprend l’ensemble les sciences et technologies impliquées dans la production de photons, leur propagation et leur absorption par la matière.
Surfaces, couches minces et leurs propriétés multiferroïques et catalytiques
Les surfaces d'un solide forment un lieu particulier, où les atomes de l'ultime couche atomique ont perdu la moitié de leurs voisins, comparé à un atome placé dans le volume. Il s'en suit des propriétés électronqiues très spécifiques.
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