Comment la miniaturisation détériore la sélectivité des capteurs optiques à nanoparticules

De nombreux marqueurs et capteurs optiques sont maintenant fabriqués avec des nanoparticules métalliques d’or ou d’argent. Outre leur petite dimension, ces systèmes ont une propriété spécialement appréciable lorsque l’on veut concevoir des dispositifs pratiques : la fréquence de la lumière qu’elles émettent ou absorbent, c’est-à-dire leur couleur, est déterminée par leur taille. Toutefois, plus les particules sont petites, plus les électrons qui oscillent en leur sein sous l’effet de la lumière⁽¹⁾ interagissent avec la surface : la sélectivité se détériore. Ceci constitue une limitation majeure à la miniaturisation des nano-composants de ce type pour la réalisation de capteurs optiques. La caractérisation précise de cet effet est délicate, car habituellement, les mesures sont réalisées sur un ensemble de nanoparticules, ce qui n’offre qu’une information moyennée sur les particules de taille différentes. Des physiciens du LASIM (Unité Mixte CNRS / Univ. Lyon 1), en collaboration avec une équipe de chimie de Vigo (Espagne), ont réussi à observer optiquement une à une des nanoparticules d’argent, à caractériser l’effet de la surface sur leur sélectivité et à déterminer la taille optimale : autour de 25 nanomètres.

Pour parvenir à leur fin, les physiciens ont déposé sur une lame de verre des nanoparticules d’argent de diamètre compris entre 10 et 50 nm, enrobées par une couronne protectrice de silice. Ces nanoparticules sont ensuite placées une à une au centre d’un faisceau laser. Une technique originale développée par les chercheurs du LASIM consiste à faire osciller chaque particule au sein de ce faisceau. Les modulations résultantes de l’absorption de la lumière laser permettent de déterminer la taille de chaque particule et son spectre d’absorption optique. Les mesures montrent que la sélectivité commence à se détériorer lorsque le diamètre des nanoparticules est inférieur à 25 nanomètres et qu’alors, elle est inversement proportionnelle au diamètre.

Ce travail offre de nombreuses perspectives quant au façonnage de nouveaux nano-dispositifs dotés de propriétés optiques ajustables pour le marquage optique, la nano-électronique et les nanotechnologies en général. La prochaine étape implique l’extension de ces études à des nano-objets de forme et de composition plus complexes.

⁽¹⁾ces oscillations sont connues sous le nom de résonance plasmon. Ce domaine de recherche est ainsi dénommé plasmonique.

Figure

Haut : Les nanoparticules sont placées une à une au centre d’un faisceau laser. Gauche : les mesures donnent accès au spectre d’absorption des nanoparticules : c’est-à-dire l’absorption de la lumière en fonction de sa longueur d’onde. La sélectivité correspond à la largeur des spectres obtenus. Droite : Pour des diamètres inférieurs à 25 nanomètres, la sélectivité est inversement proportionnelle à la taille de la nanoparticule d’argent.