Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (UPR 8011)

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Méta–surfaces thermoplasmoniques pour le contrôle de nano–sources de chaleur

Actualité Institut de Physique du CNRS

par Evelyne Prevots - publié le , mis à jour le

La plasmonique à base de métaux nobles (or, argent ou aluminium) a engendré un nouveau domaine d’applications dans lequel les effets dissipatifs du métal sont utilisés de façon avantageuse. Parallèlement à leurs propriétés bien connues d’exaltation et de confinement du champ électromagnétique, ces nanostructures constituent d’excellentes nanosources locales de chaleur.
Cette nouvelle discipline peut être étudiée en combinant une approche complètement auto–cohérente basée sur le formalisme des Fonctions de Green Dyadiques avec les équations de transport de chaleur. Cela permet de calculer l’intensité du champ local et la distribution de température à l’intérieur ainsi qu’au voisinage d’un réseau de particules plasmoniques de géométrie arbitraire. Nous avons appliqué cette méthode pour concevoir et optimiser de nouveaux prototypes de méta–surfaces thermoplasmoniques intégrées en géométrie coplanaire.

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"Un algorithme pour façonner des propriétés thermiques à l’échelle nanométrique"

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(a) Vue schématique d’une méta-surface pour la thermoplasmonique. (b-g) Exemple de cartes d’élévation de température induite au voisinage d’un réseau de nano–bâtonnets d’or gravés sur une surface de silice. La polarisation du laser permet d’accorder la quantité de chaleur déposée en jouant sur les modes plasmon transverses et longitudinaux.

Durant les dix dernières années, plusieurs études théoriques et expérimentales ont montré que les résonances plasmons de particules de métaux nobles pouvaient aussi être utilisées pour stimuler localement et sélectivement en longueur d’onde, de véritables nanosources de chaleur. Il est maintenant possible de cartographier les variations de température associées à ces résonances en réalisant par exemple en milieu liquide, des mesures d’anisotropie de la fluorescence produite par des molécules <<sonde>>, ou encore en mesurant la variation de résistivité d’un nanofils conducteur positionné à proximité de la source de chaleur. Cette propriété dite <<d’hyperthermie par résonance plasmon>> trouve des applications en biophysique, et notamment en oncologie où de telles particules, lorsqu’elles sont fonctionnalisées, peuvent se fixer à l’intérieur de cellules cible pour ensuite les éliminer.

De façon générale, La quantité d’énergie dissipée par effet Joule est proportionnelle à l’intensité du champ local induit dans la particule. Elle est donc très sensible à la forme et la géométrie de la particule ainsi qu’à la longueur d’onde utilisée. Plusieurs études de dépôt de chaleur sur des particules individuelles d’or ont été réalisées au laboratoire (chaines de nano–sphères, bâtonnets, prismes, ...).

Ce n’est que très récemment que nous avons généralisé ce type d’étude à des ensembles complexes de fines particules, disposées de façon régulière sur un substrat diélectrique, généralisant ainsi le concept de méta–surfaces à la thermoplasmonique. Habituellement, les méta–surfaces pour l’optique sont formées d’une multitude de nano–composants réfractifs ou diffractifs destinés à façonner le front d’onde en jouant sur les déphasages accumulés lors de la propagation de la lumière. Dans le cadre de la thermoplasmonique, ces nano–composants seront remplacés par des motifs métalliques de dimension sub–longueur d’onde, disposés sur une surface transparente (silice par exemple) et capable d’engendrer des gradients tridimensionnels de température dont la localisation sera accordable grâce à la polarisation du laser. Ces nouvelles géométries peuvent être étudiées et optimisées en combinant une approche complètement auto–cohérente, basée sur le formalisme des Fonctions de Green Dyadiques (GDM), avec les équations du transport de la chaleur de type Fourier ou Laplace. Cela permet de calculer l’intensité du champ électrique local et de déduire la distribution de température à l’intérieur ainsi qu’au voisinage du réseau de particules plasmoniques. Cette nouvelle technique de simulation nous a permis de concevoir des méta–surfaces capables d’engendrer des flux de chaleur de dimension sub–micronique, de direction réversible et contrôlable à distance (cf. figure) grâce à la polarisation et à la longueur d’onde du laser.

 

Références

 

Designing thermoplasmonic properties of metallic metasurfaces
Ch Girard, P R Wiecha, A Cuche and E Dujardin
J. Opt. 20 (2018) 075004.

Local field enhancement and thermoplasmonics in multimodal aluminum structures
P R Wiecha, M-M Mennemanteuil, D Khlopin, J Martin, A Arbouet, D Gérard, A Bouhelier, J Plain, and A Cuche
Phys. Rev. B 96 (2017) 035440.

 

Contact

Dr. Aurélien CUCHE, CEMES (CNRS)
aurelien.cuche chez cemes.fr

Dr. Christian Girard, CEMES (CNRS)
Christian.Girard chez cemes.fr