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This thesis focuses on the analytical properties of the acoustic vibrations and applications of metallic nanoparticles. With regard to the analytical properties of the acoustic vibrations, we focus on nanoparticle acoustic resonance enhanced four-wave mixing (FWM) as an in situ characterization technique for characterizing nanoparticles’ shape, size, and size distribution. The nonlinear optical response of metallic nanoparticles is resonantly driven by the electrostriction force which couples to the acoustic vibrations of nanoparticles. Information about nanoparticles’ shape, size, and size distribution can be obtained by analyzing the resonant peak position and linewidth in the FWM signal which carries the information about the vibrational modes. We characterize different nanoparticle solutions of different materials, shapes, and sizes using this FWM technique. Information obtained from the FWM characterization agrees well with the scanning electron microscopic examination, indicating the FWM technique can serve as an in situ nanoparticle characterization tool. We also demonstrate the FWM technique can be used for monitoring nanoparticle growth in situ. iii With regard to the applications of metallic nanoparticles, we focus on quantification of an exogenous cancer biomarker Acetyl Amantadine using surface-enhanced Raman scattering (SERS). Raman spectroscopy can provide unique fingerprint information of molecules, which can be used as a chemical detection and identification technique. The intrinsically weak Raman signal caused by the small scattering cross section presents a barrier for trace chemical detection. Localized surface plasmon resonance of metallic nanoparticles can provide large local field enhancement, which can be utilized to enhance the intrinsically weak Raman signal. In order to achieve higher local field enhancement, we focus on using the gap structures formed between nanoparticles instead of using discrete nanoparticles. Molecules should locate within the hot spots of the gap structures to experience the largest enhancement. This requires that molecules should be extracted from volume onto the metallic surface. Based on these guidelines, two SERS platforms are designed using gold nanoparticles (nanorods and nanospheres) combined with different surface functionalization techniques. The performance of these two platforms are characterized by investigating the sensitivity and limit of detection (LOD). 16 ng/mL and 0.4 ng/mL LODs are achieved for nanorod and nanosphere platforms, respectively. / Graduate

Nous avons développé de nouveaux concepts de fabrication de matériaux nanostructurés en couche mince basés sur le dépôt par ablation laser alterné d'un métal (Ag) et d'un diélectrique (Al2O3). Cette technique permet d'atteindre un contrôle optimal sur les paramètres morphologiques des nanostructures qui déterminent la réponse optique des couches minces. Nous avons produit des nanosphères, des nanolentilles et des nanocolonnes, auto-organisées et orientées, encapsulées dans une matrice d'alumine amorphe. Leur réponse optique a été étudiée en fonction de leur morphologie et comparée à des simulations théoriques. En parallèle à cette étude, la réponse vibrationnelle des nanostructures a été analysée par spectrométrie Raman basse fréquence. Finalement, des nanostructures contenant des couches alternées de nanoparticules de Co et d'Ag séparées par une distance de quelques nanomètres ont aussi été fabriquées. Il a été montré que l'interaction entre le plasmon de surface et les modes sphéroïdaux de vibration des nanoparticules active le signal Raman.

Ce travail a porté sur l’étude expérimentale de la dynamique électronique et vibrationnelle de nano-objets métalliques et hybrides par spectroscopie pompe-sonde femtoseconde. L’étude de la dynamique des échanges d’énergie électrons-réseau dans des systèmes métalliques bidimensionnels nous a permis de mettre en évidence une accélération du transfert d’énergie entre électrons et phonons due au confinement. Cette accélération est gouvernée par la plus petite dimension des nano-objets étudiés (nano-triangles d’argent 2D) lorsque celle-ci devient inférieure à environ 10 nm. Nous avons aussi étudié la dynamique vibrationnelle de nanoparticules métalliques, bimétalliques et métal diélectrique. Nous nous sommes intéressés aux modes de vibration longitudinaux et radiaux de bipyramides d’or en fonction de leurs dimensions, et à leurs évolutions consécutives à un dépôt d’argent. Une forte sensibilité des périodes et des amplitudes de vibration à de faibles dépôts a été mise en évidence. L’étude de l’évolution des modes de vibration de nano-objets de type coeur-coquille (argent-silice et or-silice) nous a permis d’obtenir des informations sur la qualité du contact mécanique à l’interface métal-diélectrique. Enfin, nous avons étudié les interactions électroniques dans des nano-systèmes hybrides métal/semi-conducteur (ZnO-Ag), et plus particulièrement les transferts de charge et les échanges d’énergie entre les deux composants.Nous avons montré la forte influence de l’environnement sur la dynamique électronique du ZnO et mis en évidence un transfert d’électron, photo-induit par une impulsion infrarouge, de la particule métallique vers la bande de conduction du semi-conducteur. / Electronic and vibrational dynamics have been studied in metallic and hybrid nano-object using femtosecond timeresolved spectroscopy. The study of electron-lattice energy exchanges in two-dimensional metallic systems showed an acceleration of the energy transfer between electrons and phonons due to confinement. This acceleration is governed by the smallest dimension of the nano-objects (2D-silver nano triangles ) when it becomes smaller than 10 nm. We also studied the vibrational dynamics of metallic nanoparticles, bimetallic and metal-dielectric. We investigated the longitudinal and radial modes of vibration of gold bipyramids which depend on their size, and studied their evolution under silver deposition. A high sensitivity of periods and amplitudes for small deposition were demonstrated. Our work on the evolution of acoustic vibrations of core-shell nano-objects (silver-silica and goldsilica) allowed us to obtain information on the quality of mechanical contact at the metal-dielectric interface. Finally, we studied the electronic interactions in hybrid metal / semiconductor (ZnO-Ag) nano-systems, and especially the charge transfer and energy exchanges between the two components. We showed a strong influence of the environment on the electron dynamics of ZnO and proved the existence of an electron transfer, photoinduced by an infrared pulse, from the metal particle to the semiconductor conduction band.