Synthèse et modélisation des propriétés optiques de nanoparticules d'alliage or-argent et leur application en imagerie hyperspectrale

Les nanoparticules (NPs) métalliques représentent un domaine de recherche en pleine effervescence depuis quelques dizaines d‘années. Parmi celles-ci, les NPs plasmoniques, qui sont composées de métaux nobles tels l‘or et l‘argent, sont parmi les plus connues et possèdent des propriétés optiques extraordinaires. Leur capacité à fortement absorber et diffuser la lumière dans le visible sur une bande de longueurs d‘onde précise leur confère une coloration très intense. De plus, ces structures concentrent fortement la lumière près de leur surface lorsqu‘elles sont sous illumination. Ces propriétés peuvent être mises à profit dans une foule d‘applications allant de l‘imagerie biomédicale à la détection en passant par l‘amélioration de la performance des cellules solaires. Bien que l‘or et l‘argent soient les matériaux les plus couramment utilisés pour les NPs plasmoniques, il est connu depuis longtemps que leurs alliages présentent des propriétés optiques tout aussi intéressantes avec l‘avantage additionnel que leur coloration peut être contrôlée par le ratio or-argent qui compose l‘alliage. Malgré tout, les NPs d‘alliage or-argent sont relativement peu utilisées dans les différentes applications. La principale raison reste probablement le fait que la synthèse de ces NPs avec un bon contrôle de la taille n‘a pas encore été démontrée. De nombreuses applications, notamment en imagerie, nécessitent des NPs qui diffusent fortement la lumière. Or, ce sont les plus grosses particules qui diffusent le plus efficacement la lumière. Les différentes méthodes de synthèse utilisées jusqu‘à maintenant pour produire des NPs d‘alliage or-argent résultent en des particules plus petites que 30 nm ou très polydisperses, les rendant peu attrayantes pour ce type d‘applications. Le potentiel d‘utilisation des NPs d‘alliage or-argent repose donc sur la capacité de les fabriquer avec un diamètre suffisamment grand et avec un bon contrôle de la taille. Il est également important de pouvoir prévoir à l‘avance les propriétés optiques des nanostructures d‘alliages or-argent, permettant de guider le design de ces structures en fonction des propriétés visées. Ceci nécessite toutefois la connaissance de la fonction diélectrique des alliages en fonction de leur composition. Bien que cette fonction diélectrique ait été mesurée expérimentalement à plusieurs reprises, les données tabulées sont souvent limitées à quelques compositions précises et un modèle analytique serait plus intéressant.

Abstract

Metallic nanoparticles (NPs) constitute a research area that has been booming in the recent decades. Among them the plasmonic NPs, which are composed of noble metals such as gold and silver, are the best known and possess extraordinary optical properties. Their ability to strongly absorb and scatter light on a specific band in the visible wavelengths gives them a very intense coloration. Moreover, these structures strongly concentrate the light near their surface upon illumination. These properties can be exploited in a variety of applications from biomedical imaging to detection and even for improving the performance of solar cells. Although gold and silver are the most widely used materials for plasmonic NPs, it has long been known that their alloys have optical properties equally interesting with the added benefit that their color can be controlled by the gold-silver ratio of the alloy. Nevertheless, the gold-silver alloy NPs are not frequently used in different applications. The main reason is probably that the synthesis of these NPs with good size control has not been demonstrated yet. Many applications, including imaging, require NPs which strongly scatter light. Large NPs (50 nm and more) are often required since they scatter light more efficiently. However, the different synthesis methods used until now to produce gold-silver alloy NPs result in sizes smaller than 30 nm or very polydisperse samples, making them unattractive for these applications. The potential to use gold-silver alloy NPs is therefore based on the ability to manufacture them with a sufficiently large diameter and with good size control. It is also important to be able to predict in advance the optical properties of gold-silver alloy nanostructures, to help guide the design of these structures depending on the intended properties. This requires knowledge of the dielectric function of the alloys according to their composition. Although the dielectric function was measured experimentally several times, tabular data are often limited to a few specific compositions and an analytical model would be more interesting. This thesis focuses on the study and modeling of the optical properties of gold-silver alloy NPs, on their synthesis as well as an application example; using these NPs as cell markers for multiplexed scattering imaging. The first part of this thesis deals with a study of the dielectric function of gold-silver alloys in order to develop an analytical model to calculate the dielectric function for an arbitrary composition of the alloy.