Low frequency Raman study of the acoustic confinement in metallic and semiconducting nanostructures
Etude du confinement acoustique dans des nano-structures métalliques et semiconductrices par diffusion Raman basse fréquence.
Résumé
Inelastic light scattering spectroscopies (Raman/Brillouin) are a versatile tool to study thermal phonons at various scales. In nano-granular media, the study of acoustic phonons with a wavelength much greater than the grain diameter D (λ/D >> 1) allows one to characterize the macroscopic elasticity governed by Hertz law of the contact. The validity of Hertz law is studied for powders made of oxide nanoparticles a few nanometers in diameter. When the phonon half-wavelength reaches the confinement dimension (diameter D for spheres, thickness e for plates) propagation is forbidden and mechanical resonances occur. Low frequency Raman spectroscopy has been used to characterize the acoustic resonances of semiconducting nanoplatelets “dressed” with an organic surfactant layer. When the thickness becomes thin enough (e ~ 1 nm), the resonance frequency is significantly downshifted compared to a free platelet, attributed to a mass load effect due to the organic molecules. When the confining object is a metallic nano-dimer, both plasmonic and acoustic hybridization occur at the same time. The resonant excitation of the dimeric plasmon allows one to observe down to single nano-object scale the inelastic scattering by dimer hybridized dipolar vibration modes l=1 as well as non-hybridized modes with higher angular momentum l >2, known to be Raman inactive in this size range according to previously established selection rules. Possibilities for a new plasmon-vibration coupling mechanism are discussed.
Les spectroscopies de diffusion inélastique de la lumière (Raman/Brillouin) sont un outil
versatile qui permet d’étudier les phonons thermiques de la matière à différentes échelles.
En particulier, lorsque le milieu possède une nano-structuration, un phénomène de
résonance mécanique nait du confinement des phonons dont la longueur d’onde
correspond au critère λ = 2L, où L est la longueur de confinement. Ces résonances ont
été jusque-là majoritairement caractérisées dans le cas de nanoparticules sphériques (aussi
appelées modes de Lamb pour un confinement 3D), mais les expériences de diffusion
inélastique restent malgré tout peu sensibles aux effets d’interaction entre les résonateurs.
Cette thèse est donc dédiée à l’étude de ces effets d’interaction depuis le cas simple d’un
dimère de nanoparticules métalliques couplées d’un point de vue plasmonique et
mécanique, jusqu’à une assemblée désorganisée de N nanoparticules d’oxydes (dans le
cas de TiO2 et ZrO2). Dans le cas de dimères métalliques, l’excitation résonante du
plasmon longitudinal résulte en une forte exaltation de la diffusion par les modes de
vibration dipolaires hybridés, ainsi que par des modes de vibration de plus haut moment
angulaire. Le Raman résonant est également mis à profit pour l’étude d’autres géométries
de confinement telles que des nanoplaquettes semi-conductrices colloidales de CdS et
CdSe. Il est montré que le mode de respiration des nanoplaquettes est sensible à la masse
moléculaire du manteau organique recouvrant la surface, ouvrant la voie à des
applications en termes de nanobalances basées sur les vibrations acoustiques de nano-objets.
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