En utilisant une technologie de combinaison unique, une équipe de chercheurs de l’Université de Nagoya au Japon a analysé les mécanismes de l’interaction lumière-matière dans les nanomatériaux aux niveaux les plus petits et les plus rapides.
Les nanomatériaux, des matériaux dimensionnés à l’échelle nanométrique entre 1 et 100 nm, sont de plus en plus importants tant dans l’industrie que dans la vie quotidienne. Leur taille extraordinairement petite leur confère des propriétés uniques que l’on ne trouve pas dans les matériaux plus grands. Ces propriétés sont également spécifiques à la nature et à l’environnement du matériau. Pour élargir la bibliothèque de nanomatériaux pouvant être appliqués de manière efficace, sûre et durable dans les produits et les processus de fabrication, nous avons besoin d’une compréhension plus approfondie des événements, même les plus infimes, se produisant sur et à l’intérieur des nanoparticules.
Pour mesurer les nanomatériaux, les scientifiques utilisent un sous-domaine de la métrologie appelé nanométrologie. La nanométrologie mesure des échelles de longueur à l’échelle nanométrique. Pour donner un peu de contexte, un cheveu humain est environ 100 000 fois plus large. Lorsque les particules sont aussi petites, les scientifiques doivent également mesurer les événements qui se produisent en quelques fractions de seconde. Par exemple, un phénomène appelé photoexcitation se produit normalement en picosecondes, soit un billionième de seconde. Des appareils spécialisés sont donc nécessaires pour mesurer ces événements quasi instantanés.
Un groupe de recherche dirigé par des membres du corps professoral de l’Université de Nagoya, le professeur agrégé Makoto Kuwahara de l’Institut des matériaux et des systèmes pour la durabilité (IMaSS) et Lira Mizuno, Rina Yokoi et Hideo Morishita de la Graduate School of Engineering, a étudié s’ils pouvaient étudier une telle photoexcitation processus se produisant sur des nanoparticules uniques.
En collaboration avec des chercheurs seniors d’Hitachi Hightech Ltd., ils ont développé un microscope électronique ultra-rapide en combinant une photocathode semi-conductrice avec une surface « d’affinité électronique négative », mise au point par l’Université de Nagoya, avec un microscope électronique à usage général. Avec le microscope résultant créé en combinant ces technologies, nous pouvons observer des événements à l’échelle nanométrique. Les chercheurs ont publié leurs découvertes dans Lettres de physique appliquée.
Pour les nanoparticules, le groupe a utilisé des nanotriangles d’or synthétisés chimiquement. L’or convient à de telles expériences car c’est un métal noble. Cela signifie qu’il est stable dans une gamme de conditions. Les électrons dans les nanoparticules d’or présentent un phénomène appelé « résonance plasmon ».
Lorsqu’une nanoparticule d’or subit une photoexcitation avec une longueur d’onde de lumière spécifique, les électrons de la nanoparticule commencent à bouger ou à osciller. Cela intensifie la lumière, transformant la nanoparticule d’or en une antenne lumineuse. Pour cette raison, les plasmons de surface sur l’or sont régulièrement utilisés pour des applications de détection et présentent un grand intérêt pour la conversion d’énergie.
Les plasmons dans les nanoparticules d’or peuvent être photoexcités à l’aide du laser ultrarapide du nouveau microscope électronique ultrarapide construit sur mesure tout en permettant simultanément aux scientifiques d’observer des nanoparticules d’or uniques. Les chercheurs ont étudié deux phénomènes de plasmon différents en appliquant leur nouvelle technique.
Ils ont d’abord observé la relaxation des plasmons à la surface, un processus bien étudié. Cependant, leur nouvelle technique leur a également permis de visualiser l’évolution des plasmons à l’intérieur des nanoparticules d’or, même si la lumière n’a atteint que la surface des nanoparticules.
C’est la première fois qu’une technique révèle le processus de relaxation de ces plasmons à l’intérieur des nanoparticules d’or, avec des implications importantes pour la préparation de matériaux captant la lumière pour la conversion d’énergie. La technique nouvellement développée devrait aider à analyser les matériaux potentiels en exposant les interactions lumière-matière ultrarapides.
« En comprenant des phénomènes tels que les processus de photoexcitation et de relaxation et le transport d’énergie, nous pouvons améliorer les propriétés photosensibles et augmenter l’efficacité », explique Kuwahara.
« En particulier, il peut s’agir d’un outil puissant pour capturer les changements de temps individuels dans de petits matériaux structurels avec une résolution spatiale (tels que ceux qui dépassent les sous-micromètres). Cela a été difficile à réaliser avec les méthodes analytiques conventionnelles utilisant des lasers pulsés comme sondes », il a continué.
« Nous nous attendons à ce que cette réalisation permette l’analyse des matériaux de conversion photoélectrique et thermoélectrique et de leurs dispositifs appliqués qui contribuent à la conservation de l’énergie. Nos recherches devraient être utiles pour le développement de la conversion de l’énergie lumineuse, des biocapteurs et des dispositifs de conversion thermoélectrique.
Plus d’information:
Makoto Kuwahara et al, Spectroscopie de perte d’énergie électronique transitoire de nanoparticules d’or stimulées optiquement à l’aide d’un faisceau d’électrons pulsé picoseconde, Lettres de physique appliquée (2022). DOI : 10.1063/5.0108266