G. Rizza, DRECAM/Laboratoire des Solides Irradiés, Ecole Polytechnique
Les applications des nanoparticules sont nombreuses mais dépendant généralement de leur taille. Ainsi, les propriétés optiques (réflectivité sélective, absorption, propriétés optiques non linéaires) d’un matériau diélectrique peuvent être modifiées en introduisant dans la matrice hôte des particules métalliques de taille nanométrique bien définie. Contrôler la taille, la morphologie et l’environnement chimique des nanoparticules, permet de modifier par exemple de façon contrôlée la valeur de la résonance du plasmon de surface et donc les propriétés macroscopiques de la matrice hôte.
Nous avons développé une nouvelle procédure de synthèse par formation de particules submicrométriques par voie chimique et formation des nano-objets par irradiation ionique. Parmi les différentes méthodes de production des nanoparticules, celles par faisceau d’ions, comme l’implantation ionique, se sont avérées en effet être particulièrement appropriées. Dans ces méthodes, le contrôle du processus de nucléation et de croissance des nanocristaux au cours de l’irradiation reste l’étape critique pour un bon contrôle de la distribution en taille des nanoparticules. Cependant, peu de travaux expérimentaux existent concernant l’évolution sous irradiation des propriétés des particules déjà incluses dans une matrice et la description théorique de ces phénomènes est presque inexistante.
Ainsi, l’étude d’un système modèle, (système où l’on puisse contrôler à la fois les conditions d’irradiation et les propriétés initiales des particules : taille, concentration et distribution spatiale) est l’étape indispensable pour une bonne compréhension de l’évolution des nanostructures sous irradiation et un meilleur contrôle des processus de fabrication par ces procédés.
Le système modèle étudié consiste en une couche mince de nanoparticules d’or de dispersion contrôlée (voir Fig. 1) insérée entre deux couches de silice. La taille des particules initiales est déterminée lors de leur synthèse chimique. L’entreposage des particules métalliques entre deux couches de silice permet de contrôler leur concentration et leur profondeur d’enterrement. La structure ainsi définie permet d’étudier, dans des conditions optimales et en faisant varier un seul paramètre à la fois, la formation et l’évolution des nanostructures sous faisceau d’ions. On montre ainsi que la taille moyenne des particules peut être réduite de 16 nm à 2 nm, tout en réduisant la dispersion en taille de 2.1 nm à 0.4 nm (Fig. 1).
Par conservation de la matière, la réduction de taille au cours de l’irradiation conduit à la formation de satellites autour des particules initiales (Fig. 2). L’étude de leur cinétique de croissance a permis de déterminer et d’analyser quantitativement les mécanismes de germination/croissance sous irradiation. En particulier, on montre que le mécanisme de mûrissement d’Ostwald inverse, récemment proposé pour rendre compte de l’évolution des précipités sous irradiation, n’est pas le mécanisme gouvernant l’évolution des satellites.
Toujours par des méthodes d’irradiation (mais à l’aide des ions lourds rapides du GANIL, cette fois), nous avons commencé à étudier la formation des nanofils d’Au à partir d’un ensemble de colloïdes sphériques (Fig. 3) en collaboration avec Isabelle Monnet (CIRIL) et A. Vredenberg de l’Université d’Utrecht.
Ces études montrent toutes les potentialités des méthodes d’irradiation, aisément utilisables dans des méthodes de production industrielles, pour structurer la matière à l’échelle nanométrique et tirer partie des nouvelles propriétés obtenues.
Référence G. Rizza, H. Cheverry, T. Gacoin, A. Lamasson, S. Henry, Journal of Applied Physics 101 (2007) 014321.
