Vitraux. Sainte Chapelle, Paris. Fabriqué au 13ème siècle, toujours brillant et coloré! wikimedia.

Transcription

1 Nanophotonique: des nanostructures de toutes les couleurs Olivier J.F. Martin Nanophotonics & Metrology Laboratory Swiss Federal Institute of Technology Lausanne (EPFL)

2 Vitraux Sainte Chapelle, Paris Fabriqué au 13ème siècle, toujours brillant et coloré! wikimedia

3 Vitraux Manuscrit du moyen âge Fabriqué au 13ème siècle, toujours brillant et coloré! wikimedia

4 Vitraux Les Alchimistes Bruegel le vieux, 1558 Fabriqué au 13ème siècle, toujours brillant et coloré! wikimedia

5 Résonance plasmon E 0 E s Efficacité de diffusion: ( ) Sphère d'argent 8 ( ) 1 3 ( ) 2 4 Q( ) x x 2 R/ 2 Fabriqué au 13ème siècle, toujours brillant et coloré!

6 Résonance plasmon E 0 E s Efficacité de diffusion: ( ) Sphère d'argent ( ) 8 ( ) 1 3 ( ) 2 4 Q x x 2 R/ 2 Silver (Johnson & Christy) Résonance plasmon

7 Résonance plasmon Différentes formes donc différentes couleurs! 50 nm Particules colloïdales d'argent J. Mock, UCSD 3 m

8 Origine de la résonance? Les particules sont beaucoup plus petites que la longueur d'onde! Ce sont les électrons libres du métal qui entrent en résonance Plasmon = couplage lumière/électrons

9 Résonance plasmon E 0 E s ( ) ( ) 40 x 40 x 90 nm 3, gap = 10 nm, résonance, dans le vide

10 Résonance plasmon Antenne plasmonique dipolaire = Deux nanoparticules plasmoniques Forte exaltation du champ optique Forte localisation du champ dans le gap 40 x 40 x 90 nm 3, gap = 10 nm, résonance, dans le vide

11 Résonance plasmon Dipolar 40 x 40 x 90 nm 3, gap = 10 nm, résonance, dans le vide

12 Plan de l'exposé Introduction à la plasmonique Antennes plasmoniques dipolaires: Propriétés d'accordage Nanofabrication Piégeage optique à l'échelle ll du nanomètre Applications en médecine Résuméé

13 Propriétés d'accordage: longueur de l'antenne Grand flexibilité Certaines formes ont plusieurs résonances (a) (b) l=270nm Relative in ntensity l=150nm Relative in ntensity 30 0 l=110nm Wavelength [nm] Wavelength [nm] 25 0 H. Fischer, Optics Express vol. 16, p (2008)

14 Propriétés d'accordage: largeur du gap Le gap joue un rôle essentiel pour l'exaltation lt ti du champ I max Gap width [nm] H. Fischer, Optics Express vol. 16, p (2008)

15 Localisation et exaltation du champ optique 40x40x90 nm 3, gap= nm, 660 nm, in free space

16 Propriétés d'accordage: largeur du gap La fréquence de résonance tend vers celle d'une antenne "court circuitée" (I max ) λ Gap width [nm] H. Fischer, Optics Express vol. 16, p (2008)

17 Fabrication par lithographie par faisceau d'électrons Dipole antennas: Bowtie antennas:

18 Fabrication par lithographie par faisceau d'électrons Dipole antennas: Bowtie antennas: Over 10 9 antennas per 4 inch wafer!

19 Fabrication par lithographie par faisceau d'électrons: lift off Spin coating Double photoresist layer Glass/Si substrate E beam exposition and development 50nm PMMA 150nm MMA Cr Au evaporation Lift off

20 Fabrication par lithographie par faisceau d'électrons: lift off Sans double couche de photoresist: cmi.epfl.ch

21 Fabrication par lithographie par faisceau d'électrons Une grande variété de structures nanoscopiques peuvent être fabriquées avec cette approche 500 nm 2 m 100 nm

22 Plan de l'exposé Introduction à la plasmonique Antennes plasmoniques dipolaires: Propriétés d'accordage Nanofabrication Piégeage optique à l'échelle ll du nanomètre Applications en médecine Résuméé

23 Piégeage optique Un photon peut transmettre sa quantité iéde mouvement Champ homogène D.G. Grier, Nature vol. 424, p. 810 (2003)

24 Piégeage optique Les gradients du champ permettent le piégeage... Champ focalisé D.G. Grier, Nature vol. 424, p. 810 (2003)

25 Piégeage optique Les gradients du champ permettent le piégeage... mais ne permettent pas de piéger de très petites particules Champ focalisé

26 Piégeage optique Une antenne plasmonique produit de tels gradients du champ qu'elle peut piéger des nanoparticules Champ extrêmement focalisé produisant de forts gradients Champ focalisé

27 Montage expérimental Pré requis: requis: identifier une antenne et mesurer son spectre W. Zhang, Journal of Physical Chemistry C vol. 113, p (2009)

28 Montage expérimental Pré requis: requis: identifier une antenne et mesurer son spectre W. Zhang, Journal of Physical Chemistry C vol. 113, p (2009)

29 Détection du piégeage sur une antenne

30 Détection du piégeage sur une antenne La résonance de l'antenne change lorsqu'une particule est piégée dans le gap ("court circuit" de l'antenne) Realistic antenna 25nm gap, 15nm Au nanoparticle A. Lovera, Applied Physics Letters vol. 99, p (2011)

31 Résultats expérimentaux Laser additionnel pour le piégeage, =808nm, P 0.6W sur échant. W. Zhang, Nano Letters vol. 10, p (2010)

32 Piégeage de particules d'or de 20nm dans un gap de 25 nm Piégeage W. Zhang, Nano Letters vol. 10, p (2010)

33 Piégeage de particules d'or de 20nm dans un gap de 25 nm Piégeage Libération W. Zhang, Nano Letters vol. 10, p (2010)

34 Piégeage de particules d'or de 20nm dans un gap de 25 nm W. Zhang, Nano Letters vol. 10, p (2010)

35 Piégeage à des dimensions ultimes Particules d'or de 10nm piégées é dans un gap de 15nm W. Zhang, Nano Letters vol. 10, p (2010)

36 Plan de l'exposé Introduction à la plasmonique Antennes plasmoniques dipolaires: Propriétés d'accordage Nanofabrication Piégeage optique à l'échelle ll du nanomètre Applications en médecine Résuméé

37 Photothérapie plasmonique du cancer H.A. Atwater, Scientific American, April 2007 N. Halas group, Rice University

38 Biosynthèse de nanoparticules d'or dans des cellules humaines Human cerebral endothelial cells (HCEC, adherent cells): Increasing HAuCl 4 concentration cont trol 0.1 mm 0.2 mm 0.4 mm 0.5 mm 0.6 mm Leukaemia HL60 cells (circulating cells): 0.8 mm 1 mm

39 Biosynthèse vs. endocytose Une nanoparticule peut être incorporée dans une cellule par endocytose Ce processus dépend du type de cellule La cellule construit une vésicule autour de la nanoparticule qui devient isolée dans la cellule Cell biology wiki

40 Biosynthèse vs. endocytose Endocytose: les particules se retrouvent dans des vésicules où elles s'agrègent Elles sont surtout dans le cytoplasme 1 m C. Freese, Particle and Fibre Toxicology vol. 9, p. 23 (2012)

41 Biosynthèse vs. endocytose Endocytose: les particules se retrouvent dans des vésicules où elles s'agrègent Elles sont surtout dans le cytoplasme Biosynthèse: les particules sont libres dans la cellule On les trouve partout t 1 m

42 Résumé Plasmonique: couplage fort entre la lumière et les électrons libres d'un métal Localisation et exaltation du champ optique Piégeage optique à l'échelle nanoscopique Des applications prometteuses en médecine Une très grande diversité à explorer!

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