Contact : Giancarlo Rizza, Laboratoire des Solides Irradiés, Ecole Polytechnique
Du fait de leur taille, les nano-objets présentent des propriétés photoniques et plasmoniques remarquables que l’on cherche à exploiter. Diverses techniques permettent la réalisation de ces objets, et le façonnage de la forme des nano-objets au sein d’une matrice hôte (matériaux composites) est en particulier un moyen intéressant pour mieux maîtriser leurs propriétés physico-chimiques. Par une approche en synergie entre chimie des colloïdes et irradiation pour la fabrication et l’étude de tels systèmes, une équipe de l’Iramis/LSI montre que la morphologie de nano-objets métalliques confinés dans une matrice amorphe peut être modifiée par irradiation avec des ions lourds rapides. L’irradiation permet notamment de transformer des nanoparticules sphériques en nano-bâtonnets puis en nano-fils alignés et orientés dans la direction du faisceau d’ions.
Les verres composites, et plus particulièrement ceux contenant des nanoparticules métalliques, présentent des propriétés remarquables avec des applications dans le domaine de la photonique et de la plasmonique. Les fréquences d’oscillations collectives des électrons de conduction des nanoparticules métalliques, les plasmons, sont en effet dans le domaine optique et l’on observe usuellement une résonance d’excitation/désexcitation des plasmons à une fréquence bien définie, fonction de la taille et la forme des particules. Ainsi pour ce type d’application, il est essentiel d’avoir la maîtrise des propriétés morphologiques et physico-chimiques des nanoparticules.
L’utilisation de l’irradiation pour façonner des nanoparticules confinées dans une matrice est une méthode particulièrement intéressante, car elle permet de réaliser des configurations expérimentales pratiquement impossibles à obtenir avec d’autres méthodes. Le développement de ces techniques en nanotechnologie étant très récent, le nombre d’études publiés est encore très limité et une interprétation physique convaincante des phénomènes entrant en jeu reste à trouver, [1-4].
Les techniques usuelles de préparation des échantillons composites, telles que l’implantation ionique, la pulvérisation cathodique (de type magnétron) ou encore l’échange ionique, permettent le dopage d’une matrice diélectrique avec une espèce métallique. La limite principale de ces méthodes est la difficulté d’obtenir des échantillons en contrôlant la taille et la distribution spatiale des nanoparticules métalliques. En partant de ce constat, l’équipe du LSI a développé une méthode originale permettant un contrôle de ces paramètres :
Les nanoparticules métalliques sont synthétisées par une première étape « chimique » puis confinées entre deux couches de silice (Figure 1). Le sandwich ainsi formé est ensuite irradié aux ions lourds auprès de l’accélérateur du GANIL. Il est ainsi possible de contrôler non seulement les paramètres d’irradiation, tels que l’énergie des ions, le flux, la fluence et la température, mais aussi les caractéristiques de l’échantillon, comme la densité des nanoparticules, leur dimension initiale ou la profondeur de confinement dans la matrice hôte.
On observe ainsi que le taux de déformation dépend de la densité des nanoparticules (plus leur densité est élevée, plus les nanofils sont longs) et qu’il est inversement proportionnel à leur taille moyenne initiale (plus les particules sont grosses, moins elles se déforment). On observe également deux sous régimes pour la déformation sous irradiation : i) pour des faibles fluences d’irradiation, le processus se fait à volume constant et chaque nanoparticule sphérique se transforme individuellement en nano-bâtonnet. ii) Quand la fluence d’irradiation dépasse un seuil critique, nous observons par contre la formation de nanofils pouvant mesurer jusqu’à 400 nm. Ce dernier processus nécessite un mécanisme collectif actif, comparable au mûrissement d’Ostwald, où certains nanofils croissent au détriment d’autres, qui disparaissent, figure 2.
Ces résultats montrent donc que le façonnage par irradiation de nanoparticules au sein d’une matrice composite est possible. Par la variation des nombreux paramètres contrôlant le procédé, le phénomène se révèle très riche, versatile et sûrement prometteur pour le développement d’applications bien contrôlées des nanoparticules et de leurs propriétés. Cette étude trouve des applications intéressantes, entre autres, dans le domaine de la plasmonique appliquée au photovoltaïque et dans celui des capteurs biologiques plasmoniques.
Ce projet de recherche est financé par l’ANR dans le cadre du projet Blanc SHaMaN (ANR-09-BLAN-0334), qui réuni deux laboratoire de l’IRAMIS, le LSI et le CIMAP, ainsi que le Laboratoire de Physique des Nanostructures (LPN) de Marcoussis et le Laboratoire de Physique de la matière condensée (LPMC) de l’Ecole Polytechnique.
Références :
[1] Rayleigh-like instability in the ion-shaping of Au–Ag alloy nanoparticles embedded within a silica matrix,
G. Rizza, F. Attouchi, P.-E. Coulon, S. Perruchas, T. Gacoin, I. Monnet and L. Largeau,
Nanotechnology 22 (2011) 175305.
[2] Role of thermodynamics in the shape transformation of embedded metal nanoparticles induced by swift heavy-ion irradiation,
M. C. Ridgway, R. Giulian, D. J. Sprouster, P. Kluth, L. L. Araujo, D. J. Llewellyn, and A. P. Byrne, F. Kremer and P. F. P. Fichtner, G. Rizza, H. Amekura, M. Toulemonde, Phys Rev. Lett, 106 (2011) 095505.
[3] Ion-induced elongation of gold nanoparticles in silica by irradiation with Ag and Cu swift heavy ions: track radius and energy loss threshold,
E A Dawi, A M Vredenberg, G Rizza and M Toulemonde, Nanotechnology 22 (2011) 215607.
[4] Ion engineering of embedded nanostructures: From spherical to facetted nanoparticles,
G. Rizza, E. A. Dawi, A. M. Vredenberg, and I. Monnet, Appl. Phys. Lett. 95 (2009) 043105.
Voir aussi :
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Saturation of the ion-hammering effect for large non-hydrostatic capillarity stresses in colloidal silica nanoparticles, G. Rizza, Y. Ramjauny, M. Hayoun, S. Perruchas, T. Gacoin, P. Kluth and M. C. Ridgway, Nanotechnology 22 (2011) 475302. classé comme fait marquant par NanoTechWeb. |
Auteurs associés :
Laboratoire des Solides Irradiés (LSI) : Pierre-Eugène Coulon, , Abdallah Slablab, Marc Hayoun, Gerrit Coddens
Centre de Recherche sur les Ions, les Matériaux et la Photonique (CIMAP) : Isabelle Monnet, Christian Dufour, Julien Cardin, Fabrice Gourbilleau
Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (LPMC, Ecole Polytechnique) : Sandrine Perruchas, Thierry Gacoin
Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (LPN) : Dominique Mailly