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Module expérimental "Plasmons de surface"

Contexte et objectifs

L'objectif de cet enseignement est de faire découvrir le phénomène de résonance de plasmons de surface [1] qui sont des oscillations collectives des électrons de conduction dans les métaux. Les applications de ce phénomène sont nombreuses, du développement de capteurs biologiques à la création de circuits photoniques miniatures. Deux expériences seront proposées aux étudiants. Le but de la première est d’étudier par spectroscopie la résonance de plasmons de surface. La seconde expérience vise à utiliser la désexcitation de plasmons de surface pour créer un gradient
de tension de surface et déplacer des gouttelettes par effet Marangoni. Ces deux expériences seront menées avec une grande autonomie en s'appuyant sur la bibliographie existante.

Spectroscopie de plasmons de surface

Cette expérience permet d'étudier le phénomène de résonance de plasmons de surface et d'appréhender comment il peut être exploité pour réaliser des capteurs. Une première expérience simple permettra de voir qu'une couche nanométrique d'or déposée sur un prisme peut apparaitre rouge, orange ou bleue selon l'angle d'incidence d'observation et l'épaisseur de la couche d'or.
Il faudra ensuite réaliser un montage plus complexe permettant de mesurer l’angle de résonance dans un large spectre. La figure 4 montre le type d’image qui devrait être obtenu ; la ligne sombre correspond à la courbe de dispersion des plasmons de surface. Ce montage sera ensuite utilisé pour réaliser des capteurs simples. On étudiera notamment l'influence sur la résonance de la température ambiante ou du dépôt de différents liquides sur la couche d'or.


Fig. 1:  Observation de la résonance de plasmons de surface. L’abscisse correspond à l’angle d’incidence, l’ordonnée à la longueur d’onde. La raie sombre indique la résonance.

Effet Marangoni contrôlé par désexcitation de plasmons de surface

Cette seconde expérience permet d’étudier l’effet Marangoni induit par la diffusion de plasmons de surface. L’effet Marangoni décrit le transport de la matière le long d’un gradient de tension superficielle [12]. Ici, on exploite le fait que la tension superficielle dépend de la température et on utilise la diffusion de plasmons de surface pour créer un gradient de température (et donc de tension de surface) pour déplacer une gouttelette [17]. Le montage réalisé devrait permettre de déplacer de fusionner ou de scinder des gouttelettes, comme illustré sur la figure 2.  Cette technique pourra également être utilisée pour trier des espèces chimiques ayant des tensions de surface différentes.

Fig. 2: Exemple de manipulation de gouttelette. Une gouttelette est coupée en deux, puis une partie est déplacée. La tache lumineuse est produite par la diffusion des plasmons de surface.

[1] R. H. Ritchie. Plasma losses by fast electrons in thin films. Phys. Rev., 106 :874–881, Jun 1957.
[2] L. E. Scriven and C. V. Sternling. The marangoni effects. Nature,187(4733) :186–188, 07 1960.
[3] R. H. Farahi, A. Passian, T. L. Ferrell, and T. Thundat. Marangoni forces created by surface plasmon decay. Opt. Lett., 30(6) :616–618, Mar 2005.