La littérature rapporte des centaines d’applications potentielles des plasmons de surface dans des domaines aussi nombreux que variés. Dans cette partie, nous présenterons certaines de ces applications dans les domaines des capteurs chimiques, de la bio-médecine, de l’énergie solaire, de la technologie de l’information et de la spectroscopique Raman.
a) Capteurs chimiques
Le phénomène SPR est utilisé pour la détection, l’identification et la quantification des molécules diverses. La présence d’une onde évanescente, qui est confinée près de la surface du capteur, est très sensible à toute variation d’indice de réfraction liée à la présence de ces molécules à sa surface. Ces capteurs physiques deviennent des capteurs chimiques par immobilisation d’un composant chimique actif. Lors d’insertion des molécules actives, les plasmons de surface vont détecter un changement d’indice de réfraction. Ce changement d’indice est représenté par un décalage spectral de la résonance plasmonique. L’analyse des signaux des plasmons de surface permettent non seulement de détecter les molécules, mais aussi d’établir la nature et la concentration de ces molécules ayant interagi avec les capteurs SPR. (78; 79; 80; 81)
b) Bio-médecine
Les applications en bio-médecine sont certainement les plus développées en raison des caractéristiques compatibles au milieu médical que présentent certains métaux nobles (Au),
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les rendant particulièrement utiles dans ces domaines. La taille nanométrique des nanoparticules est comparable à celle de certains organismes et espèces biologiques comme les enzymes, les antigènes, les anticorps, les virus, les chaines d’ADN, etc. Par conséquent, il est possible pour les nanoparticules d’interagir séparément avec ces espèces dans le but d’obtenir une meilleure efficacité et spécificité des traitements médicaux associés. (82; 83; 84) A titre d’exemple, l’application des plasmons probablement la plus étudiée est la destruction photo-thermique des tumeurs. Le traitement de ces tumeurs ce fait par irradiation lumineuse. Ces irradiations consistent à utiliser le proche infrarouge pour exciter des plasmons avec une bonne pénétration dans la peau et ainsi bruler le cœur de la cellule cancéreuse. Autrement dit, les capteurs LSPR injectées dans les tumeurs se chauffent sous l’irradiation et cuisent littéralement les cellules environnantes. Ce traitement est très efficace, dans certains cas 30% des cancers ont pu être guéris. (85)
c) Energie solaire
Le développement des cellules photovoltaïques est un défi énergétique majeur du XXIème siècle. L’augmentation du rendement des cellules solaires, notamment organiques, passe par un meilleur contrôle de leur bande d’absorption optique. Une approche consiste à utiliser des nanoparticules métalliques nobles (or ou argent) dont la bande d’absorption de plasmons de surface se situe dans le VIS-NIR. Les propriétés optiques exceptionnelles de ces nanoparticules liées à la présence de cette bande de plasmons de surface localisés peuvent conduire à l’exaltation locale d’une onde électromagnétique incidente. Ce champ électromagnétique exalté pourrait également avoir une forte influence sur le rendement des cellules photovoltaïques par confinement de l’onde électromagnétique incidente, en augmentant l’absorption photonique et en générant un taux accru d’excitons dans l’hétérojonction active de la cellule organique. (86)
d) Technologies de l’information
Dans les technologies de l’information, la plupart des applications plasmoniques sont réalisées avec les plasmons de surface délocalisés qui permettent de confiner et guider la lumière à des échelles réduites (sous la limite de diffraction). Il n’en reste pas moins que les plasmons de surfaces localisés sont exploités dans la manipulation de la lumière pour la lecture et l’écriture de l’information sur des tailles sub-longueur d’onde. Des dispositifs optiques comme les nano-antennes, les lentilles et les résonateurs sont conçus et améliorés en exploitant la forte concentration de la lumière induite par l’excitation de ces plasmons de
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surface. (87; 88) Une modulation « active » des propriétés plasmoniques est également une propriété très recherchée. (3; 4; 89; 90)
e) Spectroscopie Raman
En spectroscopie Raman, les nanoparticules métalliques sont largement utilisées comme substrats pour exalter la sensibilité de la technique grâce à la concentration et l’amplification locale à la fois du champ laser incident et du champ de diffusion Raman autour des nanoparticules (91). Cet effet SERS (Surface Enhaced Raman Spectroscopy en anglais) se traduit donc par une augmentation de la section efficace de la diffusion Raman des molécules adsorbées sur les substrats à base de nanoparticules de métaux (Au, Ag, …) augmentant ainsi le potentiel de cette technique dans l’analyse chimique (92) et les applications biologiques (93). Une variation très intéressante de cette technique utilise une pointe métallisée (Au/ Ag) pour exalter la diffusion Raman (Figure I.18) avec une résolution spatiale très élevée (quelques dizaines de nanomètres). Il s’agit de l’effet TERS (Tip- Enhanced Raman Spectroscopy en anglais). (76; 94)
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Chapitre II
Etude de la transition de spin à l’aide des plasmons
de surface localisés
Ce chapitre est consacré à l’étude de la transition de spin des matériaux bistables à l’aide des plasmons de surface localisés (LSPR). Dans la première partie, nous utilisons des approches théoriques classiques (théorie de Mie et Gans) pour calculer les sections efficaces d’absorption, de diffusion, et d’extinction de la lumière par des nanoparticules d’or de différentes tailles et formes. Le but de ces simulations est d’estimer la réponse optique de ces capteurs plasmoniques avec le phénomène de la transition de spin. Ensuite, nous présentons le protocole de fabrication et la caractérisation par MEB et AFM de nos capteurs plasmoniques LSPR. Dans la troisième partie, nous présentons le montage expérimental de spectroscopie d’extinction que nous avons utilisé pour caractériser les propriétés des capteurs plasmoniques. Les deux parties suivantes décrirons l’étude de la transition de spin par cette nouvelle technique que nous avons appliquée sur des couches minces de deux composés à TS : le premier composé est de la famille des triazoles {Fe(hptrz)3}(OTs)2 (composé 1), et le second
est de la famille des clathrates de Hofmann {Fe(bpac)}[Pt(CN)4] (composé 2). Nous
présentons également l’effet photo-thermique d’un laser sur le composé 1 déposé sur un substrat LSPR. Nous terminons ce chapitre par des résultats obtenus par spectrométrie Raman sur des dispositifs plasmoniques (effet SERS).