Supracrystals are highly symmetrical ordered superstructures built up from nanoparticles via self-assembly. While the NP assembly has been intensively investigated, the formation mechanism is still not understood. To shed some light onto the formation mechanism, we are using one of the most common supracrystal morphologies, the trigonal structures, as a model system to investigate the formation process in solution. To explain the formation of the trigonal structures and determining the size of the supracrystal seeds formed in solution, we introduce the concept of substrate-affected growth. Furthermore, we show the influence of the NP concentration on the seed size and extend our investigations from Ag towards Au. 1.

Cette thèse se concentre sur la caractérisation d'assemblages organisés de nanoparticules plasmoniques appelés supracristaux. Les nanoparticules utilisées mesurent entre 5 et 11 nm de diamètre et possèdent une distribution en taille étroite permettant leur organisation à trois dimensions. Une fois les supracristaux obtenus, nous avons mesuré les spectres d'absorbance de supracristaux individuels constitués de différentes nanoparticules : cuivre, argent et or. Un modèle théorique simple a été utilisé pour calculer les spectres d'absorbance à partir de données disponibles dans la littérature. Nous avons ensuite montré que les supracristaux de nanoparticules d'argent ou d'or constituent de nouveaux substrats présentant un grand intérêt pour des applications en Spectroscopie Raman Exaltée de Surface (SERS). Les tailles des nanoparticules utilisées sont en effet beaucoup plus petites que celles reportées dans la littérature, d'où un nombre plus important de points chauds et donc une grande sensibilité. En vue d'applications couplées électrochimie/Raman, nous avons également mesuré les spectres de réflectance sous potentiel. De plus, des mesures par AFM conducteur et par microscopie électrochimique montrent que la conductivité des assemblages est faible mais autorise néanmoins des transferts d'électrons entre les supracristaux les plus fins et une sonde redox en solution. Enfin, des expériences de microscopie holographique ont permis de suivre la formation de ces édifices en solution. / This thesis focuses on the characterization of organized assemblies of plasmonic nanoparticles called supracrystals. The nanoparticles have a diameter ranging from 5 to 11 nm diameter and a narrow size distribution allowing their organization at three dimensions. Once the supracrystals were obtained, we measured the absorbance spectrum of individual supracrystals made of various nanoparticles: copper, silver or gold. A simple theoretical model was used to calculate the absorbance spectrum from available data in the literature. We then demonstrated that the supracrystals made of silver or gold nanoparticles are suitable substrates for Surface Enhanced Raman Spectroscopy applications. The sizes of the nanoparticles we use are indeed much smaller than in the literature, so that the number of hot spots and thus the sensitivity are increased. In view of coupling electrochemistry and Raman spectroscopy for future applications, we also measured the reflectance spectrum under potential control. Moreover, conductive AFM and Scanning ElectroChemical Microscopy measurements demonstrate that even if the conductivity of the supracrystals is weak, electron transfers between thin supracrystals and a redox probe in solution are nevertheless possible. Finally, holographic microscopy experiments allowed to follow the formation of these structures inside the solution.

Au cours des dernières décennies, les nanotechnologies, c'est à dire le développement de nouvelles méthodes de synthèse et la manipulation de nanoparticules et de leurs assemblage en nanostructures plus grandes, ont connu d'important progrès. Les nanoparticules offrent un grand ratio de surface sur volume (par rapport au solide), en faisant d’elles un état de la matière condensée important de par les nouvelles propriétés physiques et chimiques qu'elles offrent et qui n'existent pas dans le solide. L'auto-organisation de particules sphériques en deux dimensions (2D) et en trois dimensions (3D) des super-réseaux est couramment observée dans la nature, où les nanoparticules ayant des diamètres et des répartitions de tailles très fines peuvent s'auto-organiser en structures ordonnées en 2D ou en 3D, appelées supracristaux. En outre, les super-réseaux de nanocristaux binaires, qui sont des co-assemblages de deux séries distinctes de nanoparticules, ont également émergé. Par rapport aux structures formées de nanoparticules à une composante unique, une variété de structures de réseaux de phase binaires de nanocristaux ont été produites, et la prédiction de ces structures repose principalement sur le principes de remplissage d'espace. Cependant, en plus des structures cristallines connues formées avec le modèle de sphère dure, comme AlB2, NaZn13, NaCl en réseaux binaires, d'autres phases telles que les types CuAu, Cu3Au et CaB6, ainsi que des structures quasi cristallines ont également été découvertes, pour lesquelles les interactions entre nanoparticules doivent être prises en compte.Dans ce manuscrit, les récents progrés faits dans les procédés de synthèse et l’étude des propriétés optiques des nanocristaux d'argent et leurs assemblages en réseaux 2D / 3D seront examinées dans le Chapitre 1. Le Chapitre 2, se concentre sur la réponse SPR des auto-assemblages 2D de nanocristaux sphériques d'argent et d'or. Les bandes SPR observées dans les spectres d'absorption mesurés sont décrites et comparées à celles calculées en utilisant la méthode d'approximation de dipôles discrets (DDA). Les résultats semblables fournies par ces deux approches montrent que les méthodes théoriques sont adaptées pour la simulation de réponse optique linéaire de réseaux 2D de nanocristaux métalliques ultrafins et peuvent être utilisés pour modéliser et prédire leurs réponses optiques. L'influence de l'agent stabilisant des nanocristaux et leur influence sur la validité des simulations DDA est également discutée. Le Chapitre 3 décrit les propriétés optiques de nanocrytaux argent dispersés dans un solvant. La bande SPR de ces nanocristaux dépend non seulement du diamètre des nanaocristaux, mais également de la nature de l'agent stabilisant. Dans le Chapitre 4, la fabrication de films minces de supracristaux d'Ag et les propriétés optiques des films obtenus avec des nanocristaux de différents diamètres et des agents de stabilisation differents sont discutées. En comparant les spectres SPR de nanocristaux d'Ag dispersés avec ceux des films supracrystallins correspondants, d'importantes variations sont observées. La différence d'énergie (ΔE), décrivant la différence entre les positions des bandes SPR entre des nanocristaux dispersés et les assemblages correspondants se révèle être principalement dépendante à la fois de la taille des nanocristaux, mais aussi des distances entre particules à l'intérieur des films supercristallins. Ces résultats montrent également un bon accord entre les propriétés optiques simulées de réseaux 2D avec des données acquises avec des films minces 3D assemblés en structures cristallines cfc. En outre, il est démontré que la distance interparticulaire de nanocristaux modulée par la longueur de chaîne alkyle de l'agent de stabilization peut aider à faire varier la position de la bande de SPR. / Over the last few decades, nanotechnology, which is the development of new methods for synthesizing and manipulating discrete nanoparticles and larger nanostructured assemblies, have made great progress. Nanoparticles provide a high surface-to-volume ratio (compared to the bulk phase), representing an important state of condensed matter, hence exhibiting novel physical and chemical properties that are not observed in their bulk state. Self-organization of spherical particles into two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) superlattices is commonly observed in nature, where nanoparticles having similar diameters and very narrow size distributions can self-organize into 2D or in 3D ordered structures, also called supracrystals. Furthermore, binary nanocrystal superlattices, which are co-assembled from two distinct series of nanoparticles, have also emerged. Compared to the limited phase structures formed in the single-component nanoparticle superlattices, a variety of phase structures of binary nanocrystal superlattices can be produced, and the prediction of these phase structures mainly relies on the space-filling principles. However, in addition to the well-known crystal structures formed with hard sphere model, such as AlB2, NaZn13, NaCl, and laves phases in binary superlattices, other phases such as CuAu-type, Cu3Au-type, CaB6-type as well as quasicrystalline ordering were also discovered in binary nanocrystal superlattices, where nanoparticle interactions must be considered.In this manuscript, recent advances in the synthesis and optical properties of Ag nanocrystals and their assemblies into 2D/3D superlattices will be reviewed in Chapter 1. Chapter 2 focuses on the SPR response from 2D self-assemblies of both Ag and Au spherical nanocrystals. The collective SPR bands observed in the measured absorption spectra are described and compared to those calculated using dipole approximation (DDA) method. The similar results provided by these two approaches show that the theoretical DDA methods are suitable for the simulation of linear optical response of 2D superlattices made of such ultrafine metal nanocrystals and can be used to model and predict their optical responses. The influence of the nanocrystals coating agent and its influence on the validity of DDA simulations is also discussed. Chapter 3 describes the optical properties of silver nanocrytals when dispersed in a solvent. The SPR band of those nanocrystals is shown to be dependent not only on the nanaocrystal diameter, but also on the nature of the coating agent. In Chapter 4, the fabrication of thin supracrystalline films made of Ag nanocrystals is explained, and the optical properties of the as-obtained films composed of nanocrystals with varying diameters and coating agents studied. By comparing the SPR spectra of dispersed Ag nanocrystals with their assemblies of supracrystalline films, marked changes are observed. The energy discrepancy (ΔE), determined from the difference in SPR band between dispersed nanocrystals and their corresponding assemblies is shown to be mainly dependent on both the nanocrystals size and the interparticle distances within the supercrystalline films. These results also show a good agreement between simulated optical properties of 2D superlattices with data acquired with 3D thin films assembled in fcc crystalline structure. Furthermore, it is shown that the interparticle distance of nanocrystals, modulated by the alkyl chain length of the coating agents, could effectively tune the SPR band position. Chapter 5 is related to the fabrication of binary nanocrystal superlattices. Colloidal binary nanocrystal mixtures containing two distinct nanocrystals with either the same surface coating agent, called single ligand system, or with two different surface coating agents, refered as multiple ligands system, are used to grow binary nanocrystal superlattices.

Supracrystals are highly symmetrical ordered superstructures built up from nanoparticles via self-assembly. While the NP assembly has been intensively investigated, the formation mechanism is still not understood. To shed some light onto the formation mechanism, we are using one of the most common supracrystal morphologies, the trigonal structures, as a model system to investigate the formation process in solution. To explain the formation of the trigonal structures and determining the size of the supracrystal seeds formed in solution, we introduce the concept of substrate-affected growth. Furthermore, we show the influence of the NP concentration on the seed size and extend our investigations from Ag towards Au. 1.

Cette thèse porte sur l'influence des défauts cristallins des nanocristaux d'or. Elle traite de la synthèse et de l'assemblage de nanocristaux d'or dont la taille et le taux de défauts cristallins sont contrôlés. Au cours de ce travail, une méthode permettant de séparer des nanocristaux de même taille mais soit mono-, soit polycristallines a été mise au point pour ensuite les utiliser comme graines de croissance cristalline afin d'étendre le contrôle de taille de 5 à 13 nm. Les propriétés plasmoniques ainsi que vibrationnelles de ces nanocristaux d'or ont pu ainsi être étudiées en fonction de la présence ou non de défauts cristallins. Les nanocristaux synthétisés lors de cette thèse présentent une distribution de taille suffisamment faible pour permettre leur auto-assemblage en réseau ordonné à trois dimensions, appelés supracristaux. L'apparition de supracristaux inverses et de surfaces vicinales a pu être observée dans certaines conditions d'assemblage. De plus, il est aussi possible d'obtenir des supracristaux de taille submillimétrique ne contenant que des nanocristaux mono- ou polycristallines, et pouvant être étudiés individuellement par diffraction de rayons X. Il a ainsi été possible de corréler l'ordre orientationnel et translationnel des nanocristaux dans le réseau supracristallin. / This thesis deals with the influence of crystal defects of gold nanocrystals, especially on the synthesis and self-assembly of gold nanocrystals whose crystal defects and size are controlled. During this work, a method have been developed to separate single and polycrystals with similar size using crystalline segregation. Then, these nanocrystals have been used as seeds for a second crystal growth in order to expand their size from 5 nm to 13 nm in diameter. The plasmonic and vibrational properties of these gold nanocrystals have also been studied. The obtained nanocrystals exhibit low size distribution that allows their self-assemblies into three dimensional ordered lattice, called supracrystals. Negative supracrystals and vicinal surfaces have been observed under specific self-assembly conditions. Moreover, it is possible to obtain supracrystals with submillimeter size containing only either single or polycrystals and study them in an individual way by X-ray diffraction. It has also been possible to correlate the translational and orientational order of gold nanocrystals within the supracrystalline lattice.