Liquid crystal/nanoparticles composites : synergies between soft matter and electronic properties of nanoparticles
Composites cristaux liquides/nanoparticules, synergies entre matière molle et propriétés électroniques de nanoparticules
Résumé
The topic of this thesis is about the structure of smectic topological defects and the self-assembly of spherical gold nanoparticles trapped inside and outside these defects. We prepare liquid crystal films (about 200 nm thickness) which create arrays of perfectly oriented defect lines (mostly dislocations). These defect lines can trap nanoparticles with a diameter varying from 4 to 9 nm and induce an organization into chains oriented along the direction of the defects. This arrangement of gold nanoparticles is responsible for the anisotropy of the optical response (localized surface plasmon resonance) associated to an electromagnetic coupling in the direction of the chains which allows to control the extinction with the polarization of the light. An increase of the concentration of nanoparticles leads to an evolution of their organization from chains to hexagonal monolayers with the (10) direction parallel to the defect lines suggesting a growth mechanism around the chains. Furthermore, we reveal a compression of the nanoparticles both in the chains and in the 2D structures which we explain with a model of the interactions between nanoparticles. This model is based on a new estimation of the structure of the liquid crystal matrix by synchrotron X-ray diffraction measurements which contains a rotating grain boundary with two dislocation lines at its summit (Burgers vectors 6 and 4) and another one near the substrate (Burgers vector 2). The elastic deformations of the smectic layers close to the defects are estimated. Finally, we show that the self-assembly of the nanoparticles can be modified through heating treatment.
Cette thèse traite de la structure de défauts topologiques smectiques et de l’auto-assemblage de nanoparticules d’or sphériques dans et autour de ces défauts. Nous préparons des films cristaux liquides (environ 200 nm d’épaisseur) formant des réseaux de lignes de défauts (en particulier dislocations) parfaitement orientées. Ces défauts sont capables de piéger des nanoparticules de 4 à 9 nm de diamètre et d’induire une organisation en chaînes orientées dans la direction des défauts. Cet arrangement de nanoparticules d’or entraîne une anisotropie de la réponse optique (résonance plasmon) associée à un couplage électromagnétique dans la direction des chaînes qui permet de contrôler les propriétés d’extinction avec la polarisation de la lumière. Une évolution de ces chaînes par augmentation de la concentration en nanoparticules vers des monocouches hexagonales dont la direction dense (10) est imposée par celle des défauts linéaires a été mise en évidence, suggérant une croissance autour des chaînes. Par ailleurs, nous avons observé une compression des nanoparticules dans les chaînes et les structures 2D que nous interprétons à l’aide d’un modèle énergétique. Ce modèle est construit autour d’une nouvelle détermination de la structure de la matrice smectique par diffraction des rayons X au synchrotron avec un joint de grain tournant qui présente deux lignes de dislocation de vecteur de Burgers 4 et 6 au sommet et une autre de vecteur 2 au niveau du substrat dont nous déterminons les déformations élastiques induites sur les couches. Enfin, nous démontrons qu’il est possible de modifier l’auto-assemblage des nanoparticules par traitement thermique.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|