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4.2 Thermo-plasmonique

4.2.3 Procédés expérimentaux

Fabrication des nanoparticules

Pour cette étude, nous allons conserver le même type de particules que précédemment, tout d’abord car

nous maîtrisons parfaitement le procédé de lithographie, mais aussi parce que nous connaissons très bien leurs

propriétés LSPR. Nous utiliserons donc des nanorods lithographiés d’or, de nickel et bimétallique or/nickel sur

des substrats de verre.

Montage expérimental Emission

Détection Substrat  de  

l’échantillon

Dispositif  

thermique

Alimentation  

électrique

+

-­‐

FIGURE 4.20 – Schéma du positionnement du

dispositif thermique sur l’échantillon

Le montage expérimental a été adapté à un microscope

(Nikon ES00) à l’instar du montage conçu pour la

magnéto-plasmonique. Un schéma de ce montage optique est visible dans

le chapitre d’introduction. Les moyens de chauffage sont

direc-tement collés sur le dessus du substrat et tout autour de

l’échan-tillon grâce à une résine époxy de conduction thermique

com-prenant65% d’argent. Ainsi, le dispositif est placé comme sur

le schéma 4.20. Il est ainsi possible de correctement chauffer

l’échantillon tout en réalisant des mesures d’extinction.

Première mesure du phénomène par sérendipité

L’idée de détecter et mesurer l’influence de la température sur les LSPR nous est venue lors des mesures

de l’influence magnétique. C’est au cours de tests d’un prototype de dispositif magnétique par électro-aimant

que nous avons obtenu d’importants artefacts de mesures. En effet, nous avions l’habitude d’utiliser des

ai-mants permanents pour nos mesures magnétiques et nous voulions employer un électro-aimant pour obtenir

une meilleure modulation du champ. Cependant, électro-aimant, résistance électrique et donc résistance

ther-mique sont trois composants électroniques similaires. Nous sommes remontés à l’origine de ces artefacts par

déduction et nous avons supposé qu’il s’agit de l’influence de la température induite par le dispositif

expéri-mental. En effet, nous avions déjà utilisé des champs magnétiques de cette intensité sans relever de décalage

des pics d’extinction d’une telle importance et la température constituait la seule différence avec les essais

précédents. L’utilisation d’un électro-aimant directement en contact avec l’échantillon est impossible pour la

magnéto-optique sans perturbation thermique. De la même manière, il est impossible d’utiliser une résistance

thermique sans se soustraire complètement du champ magnétique induit par le courant dans la résistance. Par

la suite, nous avons donc confirmé la présence de ces artefacts avec de nouvelles résistances thermiques. Nous

avons ensuite observé une variation de l’artefact avec le temps de mesure jusqu’à être capable d’observer

l’évo-lution de la couleur de l’échantillon à l’oeil nu seulement30minaprès le début d’expérience. Ces observations

préliminaires nous ont permis de comprendre l’importance de cet effet et ont conforté notre idée de l’importance

d’une telle influence.

Vérification d’un phénomène purement thermique

Dans notre cas, le problème majeur de la résistance thermique et l’induction magnétique crée par la bobine.

Les observations du paragraphe précédent sont donc obtenues à la fois sous perturbation thermique et

magné-tique et comme nous venons de le démontrer, les pics d’extinction de nos objets sont sensibles aux champs

magnétiques. Cependant les champs induits par un électro-aimant sont faibles comparés à ceux émis par un

ai-mant permanent de même dimension. Pour vérifier la faible influence du champ induit, nous avons effectué des

mesures avec une perturbation thermique par module Peltier. En effet, contrairement aux bobines, le module

Peltier n’induit pas de champ magnétique du fait de son mode de fonctionnement par succession de jonctions

entre des semi-conducteurs dopée N et P. Pour vérifier si le champ magnétique avait une influence nous avons

effectué les mesures avec le Peltier seul puis avec une superposition du Peltier et d’un aimant permanent de30

mT. Selon nos estimations basées sur les mesures sous champ magnétique, dans le meilleur des cas, un champ

de cette intensité n’impliquerait pas de décalage relatif supérieur à0,01. Cependant nous devons nous assurer

que la superposition d’effet thermique et magnétique n’entraine pas une cinétique de décalage relatif différente.

On peut voir sur la Figure 4.21 que les deux évolutions du pic d’extinction ont la même tendance avec et

sans champ magnétique. Pour quantifier cette tendance, nous avons simplement considéré la pente à l’origine

du décalage relatif. Dans le cas du Peltier seul la pente est de0,00358 ±0,00004 C1 et dans le cas de

l’assemblage Peltier et aimant, la pente est de 0,00356±0,00012C1. Ces deux valeurs sont quasiment

identiques aux incertitudes près. Nous en déduisons que le champ magnétique étant très faible, il n’a que très

peu d’influence sur le décalage observé précédemment. De plus, la présence d’un champ magnétique en plus

de la température ne semble pas modifier l’évolution du décalage du pic d’extinction avec la température.

Il est intéressant de noter sur la Figure 4.21 de faible retour en température à la fin des courbes. Ces

dé-calages sont dus à une surchauffe de la partie froide du Peltier, ce qui empêche la partie chaude de monter

davantage en température et entraine une fluctuation lors de la mise en équilibre thermique du système. On

peut également noter que l’aimant a une influence sur la température atteignable avec ce système, ceci est dû

à une accumulation de chaleur dans l’aimant permanent, positionnée sur la surface froide. Cette accumulation

surchauffe plus rapidement la partie froide du Peltier et empêche la partie chaude d’atteindre la même

tempé-rature que le système constitué uniquement du Peltier. Ces retours en tempétempé-ratures sont intéressants, car nous

observons une non-linéarité du phénomène de décalage du pic d’extinction lors de la descente en température.

Nous traiterons donc de cette particularité ultérieurement.

Développement des mesures

Ayant démontré que la présence d’un faible champ magnétique (<30mT) n’a que peu d’influence sur les

décalages thermiques, nous avons pour la suite des expérimentations choisi d’utiliser à nouveau des résistances

thermiques, plus efficaces que les modules Peltier pour chauffer un échantillon. Nous avons donc utilisé des

résistances électriques n’induisant que de faibles champs magnétiques (<30mT à l’entrée de l’entrefer), dont

l’évolution en fonction de la tension d’alimentation est visible sur la Figure 4.22 mais permettant tout de même

d’atteindre des températures maximales de l’ordre de100C. Il est impossible de modifier la position de la

résistance pour réduire l’influence magnétique, car pour un chauffage optimal et uniforme d’un échantillon à

l’autre, il est nécessaire de placer la résistance thermique contre la surface de l’échantillon et centrée sur la

surface nanostructurée. Ainsi, selon nos mesures effectuées avec des champs magnétiques perpendiculaires à

FIGURE4.21 –Graphique représentant le décalage relatif du pic d’extinction en fonction de la température appliquée.

La courbe bleue représente le décalage obtenu avec un module Peltier seul et la courbe rouge celui obtenu avec un

assemblage Peltier et aimant. On peut voir dans sur les annotations que la pente à l’origine de ces deux décalages est

très similaire.

l’échantillon, le décalage relatif maximum dû au champ magnétique ne serait que de 0,008, pour les tailles

d’objets que nous avons utilisés et à une température de20C. Pour ce décalage magnétique supposé, le

dé-calage effectif étant de 0,135, ce qui signifie qu’au maximum 6% du décalage observé est dû à l’influence

magnétique de la bobine et que94% du décalage est dû à l’influence thermique. Cependant, l’élévation

ther-mique des matériaux ferromagnétique à pour effet de diminuer l’aimantation du fait du désordre therther-mique

[69] et dans le cas du nickel, des expérimentations [199] ont montré que l’aimantation peut diminuer d’environ

10% dans la plage de température que nous utilisons. Nous supposons donc que l’influence magnétique est en

réalité inférieure aux6% estimés. Pour nous en rendre compte, nous pouvons observer sur la Figure 4.21 que

les résultats obtenus avec le module Peltier muni ou non d’un aimant ne présentent que peu de différences.

L’influence magnétique ne sera donc pas considérée pour la suite de l’analyse.

Une première évolution de décalage visible sur la Figure 4.23 pour des objets de rapport d’aspectL/l=2,5

et pour un∆Td’environ40C. A ce stade des mesures, le décalage est noté en fonction du temps d’application

et non de la température, car il nous est impossible de mesurer précisément le décalage de température en cours

de mesure optique et sur la zone lithographiée. On peut voir un décalage très net du pic d’extinction au fur

et à mesure du temps de chauffage. Parallèlement, l’extinction mesurée augmente de0,01OD au départ puis

décroit jusqu’à0,045OD. Pour une l’analyse de ce décalage, nous avons ensuite créé une courbe de calibrage

de la température. Pour mesurer l’évolution de la température, nous avons utilisé une sonde de température

"PT1000 Heraeus 32208571". La sonde est collée sur un échantillon obsolète, placé dans les mêmes conditions

expérimentales que pour les mesures optiques. Nous avons ensuite effectué une mesure de température pour

chaque temps de chauffage, il en résulte pour les mesures de la Figure 4.23, la courbe de calibration de la Figure

4.24 A. Il devient ainsi possible de dresser l’évolution du décalage relatif du pic d’extinction en fonction de la

température, que nous avons pour ce cas de figure réalisé sur la Figure 4.24 B.

FIGURE4.22 –Évolution du champ magnétique induit par les résistances en fonction de la tension d’alimentation.

FIGURE4.23 –Évolution du spectre d’extinction de nanobâtonnets de rapport d’aspectL/l=2,5à différents temps de

chauffage. A chaque temps correspond une évolution de température.

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