Ultrafast optical response of metallic nano-objects: size effects

Ce travail a porté sur l'étude expérimentale de la dynamique électronique et vibrationnelle dans les nanoparticules de métaux nobles par des techniques pompe/sonde femtosecondes basées sur un oscillateur titane-saphir. Dans un premier temps nous nous sommes intéressés à la thermalisation électrons-réseaux. Une étude en fonction de l'énergie des impulsions de pompe montre la transition entre un régime de forte perturbation et un régime de faible perturbation. Dans ce dernier cas, les temps caractéristiques mesurés sont indépendants de la puissance de pompe et diminuent avec la taille de la nanoparticule pour des diamètres inférieurs à 10 nm. Cette accélération du transfert d'énergie électrons-réseau a été attribuée à une diminution de l'écrantage de l'interaction coulombienne au voisinage des surfaces. Des études préliminaires sur des nanoparticules dont la surface a été modi fiée ont été réalisées. Nous avons ensuite étudié les modes de vibrations acoustiques de nanoparticules métalliques. La contribution au signal dans le domaine temporel de modes radiaux d'ordres supérieurs a été mise en évidence. En réalisant le contrôle optique de ces oscillations, nous avons pu observer sélectivement le mode harmonique radial d'ordre 1 et extraire ses caractéristiques. Parallèlement, une méthode optique de détection et de mesure directe de l'extinction d'une nanoparticule individuelle a été développée. Elle consiste à moduler périodiquement la position d'un échantillon formé par des nanoparticules déposées sur un substrat transparent à très faible densité. L'absorption par une nanoparticule d'un faisceau laser fortement focalisé se traduit par une modulation de l'énergie transmise, qui est détectée. Cette méthode a été utilisée pour mesurer la section e fficace d'extinction de nanoparticules d'or isolées jusqu'à un diamètre de 5 nm. Les valeurs obtenues sont en bon accord avec les prédictions de la théorie de Mie réalisées en prenant une constante diélectrique effective.Electronic and vibrational dynamics have been studied in noble metal nanoparticles with high sensitivity femtosecond pump-probe techniques using a Ti :Sapphire oscillator. The electron-lattice thermalization has fi rst been studied. The evolution from a weak excitation to a strong excitation regime has been analyzed performing measurement as a function of the pump pulse energy. In the former case, the measured characteristic times are independent of the pump power and decrease with the particle size for diameters smaller than 10 nm. This acceleration of the energy transfer from the electron gas to the lattice has been ascribed to the reduction of the screening of the coulomb interaction close to the surface. The acoustic vibrations of metal nanoparticles have then been studied. Contribution of higher order modes to the time-domain signal has been demonstrated. Optical control of the acoustic motion of the particles has permitted selective investigation of the n = 1 radial mode and direct determination of its characteristics, period and damping time. Finally, a new optical method to detect individual nanoparticles and quantitatively measure their extinction cross section has been developed. This method consists in periodically modulating the position of a sample made of nanoparticles deposited on a glass substrate with low density. Absorption by a single nanoparticle of a tightly focused laser beam leads to a modulation of the transmitted energy, that is detected by a lockin ampli fier. The extinction cross section of single gold nanoparticles of diameters down to 5 nm has thus been determined. The obtained values are in good agreement with those calculated from the Mie theory using an e ffective dielectric constant approach