Plasmon de surface localisé

Un plasmon de surface localisé (LSP) est le résultat du confinement d'un plasmon de surface dans une nanoparticule de taille comparable ou inférieure à la longueur d'onde de la lumière utilisée pour exciter le plasmon. Lorsqu'une petite nanoparticule métallique sphérique est irradiée par la lumière, le champ électrique oscillant fait osciller de manière cohérente les électrons de conduction. Lorsque le nuage d'électrons est déplacé par rapport à sa position d'origine, une force de restauration résulte de l'attraction coulombienne entre les électrons et les noyaux. Cette force fait osciller le nuage d'électrons. La fréquence d'oscillation est déterminée par la densité d'électrons, la masse effective d'électrons, ainsi que la taille et la forme de la distribution de charge[1]. Le LSP a deux effets importants : les champs électriques près de la surface de la particule sont considérablement améliorés et l'absorption optique de la particule est maximale à la fréquence de résonance du plasmon. La résonance plasmon de surface peut également être réglée en fonction de la forme de la nanoparticule[1]. La fréquence du plasmon peut être liée à la constante diélectrique du métal[1]. L'amélioration diminue rapidement avec la distance de la surface et, pour les nanoparticules de métaux nobles, la résonance se produit aux longueurs d'onde visibles[2]. La résonance plasmonique de surface localisée crée des couleurs brillantes dans les solutions colloïdales métalliques[3].

Lumière incidente sur une nanoparticule métallique fait osciller les électrons de la bande de conduction. C'est le plasmon de surface localisé.

Pour les métaux comme l'argent et l'or, la fréquence d'oscillation est également affectée par les électrons dans les orbitales d. L'argent est un choix populaire en plasmonique, qui étudie l'effet du couplage de la lumière aux charges, car il peut supporter un plasmon de surface sur une large gamme de longueurs d'onde (300-1200 nm), et sa longueur d'onde d'absorption maximale est facilement modifiée[2]. Par exemple, la longueur d'onde d'absorption maximale des nanoparticules d'argent triangulaires a été modifiée en modifiant la netteté des coins des triangles. Il a subi un décalage vers le bleu à mesure que la netteté des coins des triangles diminuait[4]. De plus, la longueur d'onde d'absorption maximale a subi un décalage vers le rouge lorsqu'une plus grande quantité d'agent réducteur (HAuCl4) a été ajoutée et la porosité des particules a augmenté[3]. Pour les nanoparticules semi-conductrices, l'absorption optique maximale se situe souvent dans le proche infrarouge et le moyen infrarouge[5],[6].

Propagation des plasmons de surface

Les plasmons de surface localisés sont distincts des plasmons de surface se propageant. Dans les plasmons de surface localisés, le nuage d'électrons oscille collectivement. Dans la propagation des plasmons de surface, le plasmon de surface se propage dans les deux sens entre les extrémités de la structure. Les plasmons de surface qui se propagent doivent également avoir au moins une dimension qui est proche ou plus longue que la longueur d'onde de la lumière incidente. Les ondes créées lors de la propagation des plasmons de surface peuvent également être réglées en contrôlant la géométrie de la nanostructure métallique[2].

Caractérisation et étude de plasmons de surface localisés

Un objectif de la plasmonique est de comprendre et de manipuler les plasmons de surface à l'échelle nanométrique, la caractérisation des plasmons de surface est donc importante. Certaines techniques fréquemment utilisées pour caractériser les plasmons de surface sont la microscopie à fond noir, la spectroscopie UV-vis-NIR et la diffusion Raman améliorée en surface (SERS)[2]. Avec la microscopie à fond noir, il est possible de surveiller le spectre d'une nanostructure métallique individuelle lorsque la polarisation de la lumière incidente, la longueur d'onde ou les variations de l'environnement diélectrique sont modifiées[7].

Applications
Nanoparticules d'or, photographiées ici au microscope électronique à balayage, présentent de fortes résonances LSP.

La fréquence de résonance du plasmon est très sensible à l'indice de réfraction de l'environnement ; une modification de l'indice de réfraction entraîne un décalage de la fréquence de résonance. Comme la fréquence de résonance est facile à mesurer, cela permet aux nanoparticules LSP d'être utilisées pour des applications de détection à l'échelle nanométrique[8]. En outre, les nanoparticules présentant de fortes propriétés LSP, telles que les nanotiges d'or, pourraient améliorer le signal dans la détection par résonance plasmonique de surface[9],[10]. Les nanostructures présentant des résonances LSP sont utilisées pour améliorer les signaux dans les techniques analytiques modernes basées sur la spectroscopie . D'autres applications qui reposent sur une génération efficace de lumière en chaleur à l'échelle nanométrique sont l'enregistrement magnétique assisté par la chaleur (HAMR, pour Heat-Assited Magnetic Recording), la thérapie photothermique du cancer et la thermophotovoltaïque[11]. Jusqu'à présent, les applications à haute efficacité utilisant la plasmonique n'ont pas été réalisées en raison des pertes ohmiques élevées à l'intérieur des métaux, en particulier dans la gamme spectrale optique (visible et proche IR)[12],[13]. De plus, des plasmons de surface ont été utilisés pour créer des super lentilles, capes d'invisibilité et d'améliorer l'informatique quantique[14],[15],[16]. Un autre domaine de recherche intéressant en plasmonique est la capacité d'activer et de désactiver les plasmons via la modification d'une autre molécule. La possibilité d'activer et de désactiver les plasmons a des conséquences importantes sur l'augmentation de la sensibilité des méthodes de détection[2]. Récemment, un chromophore supramoléculaire a été couplé à une nanostructure métallique. Cette interaction a modifié les propriétés de résonance plasmonique de surface localisée de la nanostructure d'argent en augmentant l'intensité d'absorption[17].

Voir également

Références
  1. Kelly, « The Optical Properties of Metal Nanoparticles: The Influence of Size, Shape, and Dielectric Environment », Journal of Physical Chemistry B, vol. 107,‎ , p. 668–677 (DOI 10.1021/jp026731y)
  2. Rycenga, Cobley, Zeng et Li, « Controlling the Synthesis and Assembly of Silver Nanostructures for Plasmonic Applications », Chem. Rev., vol. 111, no 6,‎ , p. 3669–3712 (PMID 21395318, PMCID 3110991, DOI 10.1021/cr100275d)
  3. (en) Skrabalak, Au, Li et Xia, « Facile synthesis of Ag nanocubes and Au nanocages », Nature Protocols, vol. 2, no 9,‎ , p. 2182–2190 (ISSN 1750-2799, PMID 17853874, DOI 10.1038/nprot.2007.326)
  4. Zeng, Roberts et Xia, « Nanocrystal-Based Time–Temperature Indicators », Chemistry – A European Journal, vol. 16, no 42,‎ , p. 12559–12563 (ISSN 1521-3765, PMID 20945450, DOI 10.1002/chem.201002665)
  5. Liu et Swihart, « Heavily-doped colloidal semiconductor and metal oxide nanocrystals: an emerging new class of plasmonic nanomaterials », Chem. Soc. Rev., vol. 43, no 11,‎ , p. 3908–3920 (PMID 24566528, DOI 10.1039/c3cs60417a)
  6. Zhou, Pi, Ni et Ding, « Comparative study on the localized surface plasmon resonance of boron- and phosphorus-doped silicon nanocrystals », ACS Nano, vol. 9, no 1,‎ , p. 378–386 (PMID 25551330, DOI 10.1021/nn505416r)
  7. (en) Haes et Van Duyne, « A unified view of propagating and localized surface plasmon resonance biosensors », Analytical and Bioanalytical Chemistry, vol. 379, no 7,‎ , p. 920–930 (ISSN 1618-2650, PMID 15338088, DOI 10.1007/s00216-004-2708-9)
  8. Mayer et Hafner, Jason H., « Localized Surface Plasmon Resonance Sensors », Chemical Reviews, vol. Plasmonics, no 111,‎ , p. 3828–3857 (PMID 21648956, DOI 10.1021/cr100313v)
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  10. (en) Law, Yong, Baev et Hu, « Nanoparticle enhanced surface plasmon resonance biosensing: Application of gold nanorods », Optics Express, vol. 17, no 21,‎ , p. 19041–19046 (ISSN 1094-4087, PMID 20372639, DOI 10.1364/OE.17.019041, Bibcode 2009OExpr..1719041L)
  11. ElKabbash et al., « Tunable Black Gold: Controlling the Near-Field Coupling of Immobilized Au Nanoparticles Embedded in Mesoporous Silica Capsules », Advanced Optical Materials, vol. 5, no 21,‎ , p. 1700617 (DOI 10.1002/adom.201700617)
  12. Khurgin, « How to deal with the loss in plasmonics and metamaterials », Nature Nanotechnology, vol. 10, no 1,‎ , p. 2–6 (PMID 25559961, DOI 10.1038/nnano.2014.310, Bibcode 2015NatNa..10....2K, arXiv 1411.6577)
  13. ElKabbash et al., « Ultrafast transient optical loss dynamics in exciton–plasmon nano-assemblies », Nanoscale, vol. 9, no 19,‎ , p. 6558–6566 (PMID 28470299, DOI 10.1039/c7nr01512g)
  14. (en) Fang, Lee, Sun et Zhang, « Sub-Diffraction-Limited Optical Imaging with a Silver Superlens », Science, vol. 308, no 5721,‎ , p. 534–537 (ISSN 0036-8075, PMID 15845849, DOI 10.1126/science.1108759)
  15. (en) Shalaev, « Optical negative-index metamaterials », Nature Photonics, vol. 1, no 1,‎ , p. 41–48 (ISSN 1749-4893, DOI 10.1038/nphoton.2006.49, Bibcode 2007NaPho...1...41S)
  16. Chang, Sørensen, Hemmer et Lukin, « Quantum Optics with Surface Plasmons », Physical Review Letters, vol. 97, no 5,‎ , p. 053002 (PMID 17026098, DOI 10.1103/PhysRevLett.97.053002, Bibcode 2006PhRvL..97e3002C, arXiv quant-ph/0506117)
  17. Zhou, Yang, Ivleva et Mircescu, « Label-Free in Situ Discrimination of Live and Dead Bacteria by Surface-Enhanced Raman Scattering », Analytical Chemistry, vol. 87, no 13,‎ , p. 6553–6561 (ISSN 0003-2700, PMID 26017069, DOI 10.1021/acs.analchem.5b01271)
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