A luminescência opticamente estimulada (OSL) é a luminescência emitida por um material, isolante ou semicondutor, durante exposição à luz e que foi previamente exposto à radiação ionizante. Portanto, depende da quantidade de cargas armadilhadas na estrutura do material, o que por sua vez depende da dose de radiação absorvida pela amostra. Dessa forma, a busca por novos materiais para serem utilizados como detectores de radiação envolve a criação de defeitos que atuem como armadilhas e/ou centros luminescentes. Recentemente, as interações entre os plásmons de nanopartículas metálicas e centros luminescentes têm sido utilizadas para aumentar a intensidade luminescente emitida por diversos materiais. Nesse trabalho, foi investigada a possibilidade de aplicação das propriedades plasmônicas de nanoestruturas de prata e ouro, no aumento da emissão OSL. Para isso, foram testados como dosímetros OSL, compósitos de cloreto de sódio contendo nano e micropartículas de prata; compósitos de óxido de zinco contendo nanopartículas de ouro e prata; e amostras de cloreto de sódio depositado sobre filmes de nanopartículas de prata e ouro. As amostras foram caracterizadas por diversas técnicas como espectroscopia UV-Vis, espalhamento dinâmico de luz, espectroscopia na região do infravermelho, espectroscopia de fotoluminescência, microscopia eletrônica de transmissão, microscopia de força atômica, entre outras. Foi possível verificar que a intensificação dos campos elétricos locais em torno de nanopartículas metálicas em condições de ressonância plasmônica aumenta a taxa de desarmadilhamento de elétrons durante a estimulação OSL. O acoplamento plasmônico causou aumento das taxas de decaimento radiativo e redução das taxas de decaimento não radiativo, produzindo aumento da intensidade OSL. Além disso, as interações entre as armadilhas/centros luminescentes e os plásmons variam de acordo com a distância entre as partes, e a maior intensidade OSL foi obtida para amostras em que houve um espaçamento de aproximadamente 15 nm entre o NaCl o filme de nanopartículas de prata. Portanto, é possível utilizar as propriedades plasmônicas de nanoestruturas metálicas para aumentar a intensidade da luminescência opticamente estimulada, dando origem a novos e mais sensíveis detectores e dosímetros das radiações ionizantes. / Optically stimulated luminescence (OSL) is a well-known light emission process involving light stimulation of an insulator/semi-conductor material previously exposed to ionizing radiation. The intensity of the emitted light is proportional to the ionizing radiation dose previously absorbed by the material. Developing appropriate OSL materials for radiation detection and dosimetry is based on the doping and co-doping of a host material to create defects that can act as traps and/or luminescent centers. In this context, plasmon interaction with luminescent centers from OSL materials could be a new, different, and unexplored method to achieve enhanced OSL intensity and consequently improve their sensitivity as radiation detectors. In this study, we investigated whether it is possible to use the plasmonic properties of noble metal nanoparticles to obtain plasmon-enhanced OSL. To this end, we produced samples of NaCl containing nano and microparticles; composites of ZnO containing silver and gold nanoparticles; as well as samples of NaCl deposited over films of gold and silver nanoparticles. Each sample has been tested as a radiation detector by means of optically stimulated luminescence, in addition to having their materials properties analyzed by UV-Vis absorption spectroscopy, dynamic light scattering, transmission electron microscopy (TEM), atomic force microscopy, and Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR). We discovered that the electric field intensification around nanoparticles under plasmon resonance conditions enhances the excitation rate of trapped electrons. The plasmon coupling during the emission process increases the radiative and diminishes the non-radiative decay rates, leading to enhanced OSL intensities. Furthermore, the interaction between traps/luminescent centers and plasmons is highly dependent on the distance between them, and the maximum OSL intensity was observed for samples with 15 nm spacing between the NaCl and the silver nanoparticle films. Therefore, it is possible to use the plasmon properties of metal nanostructures to increase OSL, giving rise to new and more sensitive ionizing radiation detectors and dosimeters.

No description available.

Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit concerne d’une part l’étude théorique des résonances plasmon de nanoparticules métalliques, et d’autre part une étude expérimentale d’inscription de nanostructures métalliques basée sur l’utilisation d’un Microscope à Force Atomique. La partie théorique présente une nouvelle approche phénoménologique permettant l’analyse des modes de résonance propres de particules uniques ainsi que de leur couplage dans des structures simples. Des algorithmes numériques ont été développés afin d’extraire les différents paramètres phénoménologiques à partir du calcul rigoureux du champ diffusé par les particules. Cette méthodologie a été appliquée à divers cas allant de la particule unique à des réseaux à deux dimensions de particules. La partie expérimentale développe une méthode d’inscription de nanostructures métalliques basée sur une réduction électrolytique d’ions métalliques présents dans une couche de silice méso-poreuse, en appliquant une différence de potentiel entre une pointe AFM conductrice et le substrat conducteur supportant la couche. Des structures sont formées de part et d’autre de la couche de silice, avec la possibilité de commuter leur position par simple inversion du potentiel appliqué. De plus, il apparait que cette commutation est accompagnée de modifications dans la conductivité locale de la couche de silice. Une conséquence du processus d’inscription est la formation de filaments métalliques à l’extrémité des pointes AFM. En particulier, des filaments d’or sont obtenus avec des dimensions allant de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres de long pour une épaisseur de quelques nanomètres / The thesis presented in this manuscript concerns firstly the theoretical study of plasmon resonances of metal nanoparticles, and also an experimental study metallic nanostructures inscription based on the use of an Atomic Force Microscope. The theoretical part presents a new phenomenological approach for analyzing the resonant modes of unique particles and their coupling in simple structures. Numerical algorithms have been developed to extract the phenomenological parameters from the rigorous calculation of the field scattered by the particles. This methodology has been applied to various cases from the single particle to two dimensional particle arrays. The experimental section develops a metallic nanostructures inscription method based on electrolytic reduction of metal ions in meso-porous silica thin film, by applying a voltage between a conductive AFM tip and the conductive substrate supporting the film. Structures are formed on both sides of the silica layer, with the possibility to switch their position by a simple reversal of the applied potential. Moreover, it appears that this switching is accompanied by changes in the local conductivity of the silica layer. A consequence of the inscription process is the formation of metal filaments at the ends of AFM tips. In particular, gold filaments are obtained with sizes ranging from tens to hundreds of nanometers long with a few nanometers thick

Human practices have resulted in great damage to the environment. Carbon-depletion, water and air pollution, as well as global warming are examples of the environmental footprints caused by several industries and their related applications. Detergency (cleaning) is widely practiced operation in household, industry and institutional sectors and thus consumes significant amounts of water, energy and chemicals and, therefore, contributes appreciably to the environmental destruction. This process is still not fully understood, on a molecular level, and not acceptably optimised. Therefore, this study is a contribution toward a better fundamental understanding and optimisation of protein stain removal from interfaces, which may ultimately result in the development of environmentally friendly and sustainable cleaning products and technologies. In this research, the cleaning of rubisco, a grassy protein stain, from different surfaces (hydrophobic, hydrophilic, and dyed) using different cleaning agent formulations was investigated. These studies encompassed experimental work and fundamental analysis in terms of mathematical modelling. The results revealed a consistent correlation between enzyme adsorption kinetics and stain cleanability. Higher adsorption and desorption absolute rates ( a k and d k ) resulted in higher enzyme mobility and thus higher stain cleanability regardless of the enzyme adsorbed amount. Surface chemistry underlying the stain has indirectly influenced stain cleanability through the alteration of enzyme adsorption kinetics. Such fundamental findings may aid in screening enzyme candidates for detergent formulations and may also assist in designing easily cleanable surfaces. Another fundamental finding is the cooperative cleaning mechanism of surfactant and enzyme of rubisco stain from different interfaces. The break down of intermolecular physical bonds between interfacial rubisco molecules by surfactants and the break down of the intramolecular covalent bonds by enzyme resulted in a higher protein displacement from interfaces. The overall protein removal by the two different actions of surfactant and enzyme showed a superiority of a biosurfactant-enzyme formulation. This finding may have significant implications on developing sustainable detergents that have superior cleaning performance and no or minimal environmental hazard. Overall, the findings reported in this Ph.D. thesis may form a basis for further comprehensive scientific research, which may ultimately provide detergent market with more efficient and optimum cleaning products and technologies.

L'objectif de ce travail est d'ajuster la position spectrale de la résonance plasmon de surface de nanoparticules de métaux nobles dispersées dans une matrice diélectrique en contrôlant leur morphologie et leur organisation spatiale. Nous montrons que lorsque la croissance est réalisée sur des substrats plans, il est possible de jouer sur la nature de la matrice pour modifier le rapport d'aspect hauteur sur diamètre H/D des particules, et donc leur réponse optique. Des analyses structurales quantitatives menées par microscopie électronique en transmission à balayage (HAADF-STEM) font apparaître que H/D est une fonction décroissante du diamètre D, indépendamment de la quantité de métal déposé. Afin de comprendre ces effets de la matrice sur les propriétés structurales et optiques des particules, différentes études (influence du métal et de la quantité déposés, présence d'une couche tampon, influence des conditions d'élaboration, vitesse de recouvrement des particules, ... ) sont menées et des simulations numériques des spectres du facteur de transmission sont réalisées en intégrant dans un modèle de Yamaguchi les paramètres structuraux issus de l'analyse HAADF. Une autre approche consiste à utiliser des surfaces d'alumine nanostructurées afin d'induire une organisation surfacique des particules et ainsi entraîner une anisotropie de leurs propriétés optiques. Nous montrons que selon la géométrie de dépôt utilisée (incidence normale, incidence rasante, orientation et angle d'incidence du flux atomique), il est possible par effet d'ombrage de sélectionner le type de facettes sur lesquelles la croissance a lieu, et par conséquent d'organiser les nanoparticules d'argent sur la surface sous forme de bandes ou de chaînes linéaires, dont les propriétés optiques présentent une dépendance à la polarisation de la lumière incidente.

Actuellement une forte demande existe pour des dispositifs de détection chimique et biochimique en temps réel, miniatures, automatisés, bon marchés, et tout particulièrement pour l'étude des interactions biomoléculaires. Les capteurs à fibre optique basés sur la résonance des plasmons de surface (FO-SPR) peuvent répondre à cette attente sous réserve que leur fiabilité soit améliorée. En effet, pour rendre ces capteurs performants et compétitifs, il est nécessaire d'améliorer leur sensibilité et leur limite de détection. L'objectif de notre travail a consisté à optimiser la performance du capteur à fibre optique basé sur la résonance des plasmons de surface. Pour atteindre cet objectif, nous avons réalisé et étudié d'une part des fibres capteurs réalisées au laboratoire, et d'autre part, nous avons développé un modèle numérique qui nous a permis de déterminer les valeurs optimales des paramètres géométriques et physiques ajustables du capteur. Ainsi, des caractérisations de la surface métallique ont été réalisées afin d'en déterminer la rugosité et les permittivités diélectriques complexes puis d'en étudier l'influence sur la réponse du capteur FO-SPR. Finalement, le capteur a été utilisé dans une cellule microfluidique ce qui nous a permis de suivre en temps réel l'évolution de la réponse SPR en fonction de la cinétique des réactions de surface. L'implémentation de notre modèle numérique avec des paramètres cinétiques issus des mesures expérimentales met en évidence la capacité du capteur SPR à fibre optique à répondre aux attentes dans le domaine de la détection biochimique.

Mon mémoire d'HDR présente une synthèse de l'essentiel de mes activités de recherche effectuées depuis 1999. Toutefois un certain nombre de mes travaux sur la manipulation optique de nanoobjets, sur la métrologie optique et sur les transferts radiatifs instationnaires ne seront pas discutés dans ce mémoire. Les recherches qui y sont décrites concernent principalement les transferts radiatifs stationnaires dans les milieux semi-transparents denses et hétérogènes et les transferts de chaleur en champ proche dans les matériaux nanocomposites. C'est pourquoi, j'ai choisi de regrouper ces travaux sous le vocable ‘transferts de chaleur par rayonnement dans les matériaux composites micro et nanostructurés'. <br />Les développements réalisés ces dernières années dans le domaine des nanotechnologies autorisent désormais la structuration de la matière à une échelle sub-longueur d'onde jusque dans le domaine visible ce qui permet de sculpter à macro échelle les propriétés radiatives des matériaux composites et de contrôler les échanges radiatifs en champ proche dans ces milieux..<br /> La première partie de mon HDR portera sur les transferts radiatifs dans les matériaux nanocomposites à gradient de permittivité diélectrique dans l'approximation de l'optique géométrique. Des avancées spectaculaires ont récemment été faites sur ce sujet grâce aux progrès technologiques réalisés dans le domaine de la nanofabrication. Il est désormais possible de concevoir des matériaux composites complexes pour générer artificiellement une variation spatiale de la permittivité diélectrique et de la perméabilité magnétique . Nous montrerons que cette structuration permet de modeler les trajets optiques et de contrôler le flot d'énergie radiative dans ces milieux. Nous verrons qu'il existe une analogie forte entre la théorie de la relativité générale et l'électrodynamique classique dans un nanocomposite à gradient de permittivité diélectrique (i.e. la lumière expérimente la matière comme un champ gravitationnel effectif). Nous montrerons comment le transfert radiatif peut-être modélisé dans ces milieux, quels sont les effets induits par la courbure de l'espace temps sur le champ de luminance, sur l'absorption, le processus diffusion et le champ de température. Nous verrons en particulier que la courbure de l'espace temps permet dans certaines conditions d'amplifier la luminance monochromatique directionnelle dans un milieu absorbant. Enfin, nous montrerons que ces matériaux permettent de concevoir des sources thermiques cohérentes en champ lointain.<br /><br /> Dans une seconde partie nous nous intéresserons aux propriétés de cohérence du champ rayonné par des matériaux stratifiés micro et nanostructurés et à la mise au point de sources thermiques cohérentes à partir de ces matériaux. Nous commencerons par décrire le comportement émissif en champ lointain des films fins et montrerons que ces milieux peuvent se comporter comme des antennes thermiques. Nous verrons ensuite comment les structures composites planes peuvent servir à mettre au point des sources thermiques à haut de degré de cohérence spectrale simultanément pour les deux états de polarisation du champ électromagnétique. Enfin, nous montrerons qu'il est possible, pour concevoir une source thermique cohérente, d'abandonner la démarche heuristique usuelle basée sur une approche de type essai-erreur au profit d'une démarche ab-initio plus rationnelle. <br /><br /> Dans la troisième et dernière partie de ce mémoire nous présenterons nos travaux sur les transferts de chaleurs en champ proche dans les matériaux composites. Une fois de plus, on commencera par décrire le comportement des films minces. Nous verrons que lorsqu'un film supporte des ondes de surface, l'hybridation de ces modes de part et d'autre du film lui confère un comportement radicalement différent de celui des matériaux massifs. On étudiera ensuite les transferts de chaleur par interactions d'ondes de surface dans des réseaux de nanoparticules immergés dans des matrices diélectrique solides. Nous montrerons que lorsque les nanoparticules sont séparées par des distances plus grandes que leur diamètre, chaque particule peut-être considérée comme un simple dipôle en interaction avec ces voisins. Dans ce cas, nous verrons que le transfert de chaleur par interaction des polaritons de surface à travers le réseau est négligeable. En revanche, nous montrerons qu'à courtes distances de séparation (typiquement pour des distances inférieures au diamètre des particules) les interactions multipolaires peuvent devenir très importantes et augmenter significativement le transfert de chaleur. Enfin, nous étudierons le transport de chaleur dans les réseaux monodimensionnels en régime balistique et en régime diffusif .

La fluorescence d'une molécule est sensible à son environnement électromagnétique. La présence d'une structure métallique modifie l'excitation et l'émission des fluorophores, par le jeu d'interférences et de couplages avec les plasmons de surface. Nous avons élaboré et caractérisé des films métalliques de différentes morphologies (films de nanoparticules, percolés, continus, plans, rugueux. . .). Leur influence sur la réponse optique<br />des fluorophores a été étudiée par la modélisation puis l'expérience, en fonction de la distance fluorophore-métal et de l'orientation moléculaire. Une amplification d'un à deux ordres de grandeur du signal détecté est observée, ainsi qu'une photostabilisation des fluorophores et une modification des transferts d'énergie intermoléculaires. Nous<br />démontrons l'intérêt de cette technologie pour améliorer la sensibilité dans les puces à ADN et pour l'imagerie des cellules et des tissus.

Nous avons développé les méthodes et instruments permettant de manipuler avec retour de force des objets de très petites dimensions (échelles micrométriques et nanométriques). L'utilisation de leviers de microscope à force atomique piézorésistifs permet de travailler dans un volume réduit et avec un minimum d'instruments extérieurs : l'introduction dans un microscope à balayage électronique de notre dispositif permet, en plus du retour de force traduisant la déflection du levier, d'avoir une rétroaction visuelle sur les manipulations opérées sur des billes de silice. Nous avons alors tenté de combiner ce manipulateur avec divers autres capteurs travaillant à des échelles différentes : plasmons de surface pour les échelles micrométriques, ondes acoustiques pour les échelles millimétriques. La réalisation d'instruments de mesure utilisant ces deux techniques nous a permis de mieux appréhender les difficultés à les combiner en un seul et même instrument de mesure simultanée sur un même échantillon. Nous nous sommes efforcés de décrire toutes les méthodes expérimentales mises en oeuvre : un nombre important d'annexes développent l'électronique et les logiciels mis en place lors de ces expériences. Un souci particulier a toujours été maintenu de rendre ces instruments aussi autonomes et transportables que possible.

<p>The aims of this study are to first immobilize positively charged gold nanorods to negatively charged cell culture surfaces. Second, to use polyelectrolytes for controlling the distance between gold nanorods and fluorophores. This is used to optimally determine the distance, of which maximum fluorescence enhancement is achieved, between gold nanorods and fluorophores. In order to approach these aims, we use UV/VIS absorption spectroscopy, fluorescence spectroscopy, atomic force microscopy, and ellipsometry. The results show that we could control the immobilization of gold nanorods on plastic microwell plates and create reproducible polyelectrolyte layers, in order to control the distance between the gold nanorods and fluorophores. In addition, the localized surface plasmon resonance wavelength red shifted as the PELs increased. In conclusion, we found that the maximum fluorescence enhancement of the fluorophores (Cy7) is about 2.3 times at a fluorophores-nanoparticles separation of approximately 9-12 nm. This work contributes some research information towards the design of optical biochip platforms based on plasmon-enhanced fluorescence.</p>