Thesis 05/03/2025

Les nanoparticules d’argent présentent des résonances plasmoniques induites par les oscillations collectives de leurs électrons libres, dont la position, la largeur et l’amplitude dépendent de leur taille, de leur forme et du milieu hôte. La croissance de ces nanoparticules dans des films minces diélectriques conduit à des nanocomposites prometteurs, notamment pour des applications optiques et photoniques. Le défi consiste à comprendre finement les mécanismes de croissance et à contrôler les caractéristiques morphologiques de ces nanoparticules afin d’optimiser leurs propriétés optiques.

Dans ce contexte, la présente thèse s’articule autour de trois axes principaux :
(I) l’étude des mécanismes de croissance des nanoparticules d’argent dans des films minces de polymère par voies thermiques et photoniques,
(II) la mise au point d’outils de diagnostic optique non invasifs permettant de suivre en temps réel les cinétiques d’élaboration de ces nanocomposites,
(III) la formulation de modèles théoriques pour la l’étude de leurs propriétés optiques.

Sur le plan expérimental, l’ellipsométrie spectroscopique et la spectrophotométrie UV-Visible sont mises en œuvre pour suivre et comprendre, de manière in situ, les cinétiques de croissance des nanoparticules. Les données obtenues alimentent des modèles de croissance de type Avrami modifié et un nouveau modèle proposé ici, permettant d’identifier le rôle des paramètres clés comme la concentration initiale en ions argent ou la microstructure du film. Par ailleurs, l’analyse par microscopies électroniques en transmission et à balayage en transmission éclaire la morphologie des nanoparticules.

Un second volet est consacré aux modèles théoriques et numériques, utilisés pour simuler et modéliser les propriétés optiques des nanocomposites. En outre, l’emploi de réseaux de neurones artificiels accélère notamment l’inversion des cartographies ellipsométriques en ex situ, offrant un gain considérable en rapidité et en précision pour déterminer l’épaisseur du film, la fraction volumique et la distribution de formes des nanoparticules. Enfin, l’influence d’un champ électrique externe appliqué durant la synthèse a été explorée, ouvrant la voie à des nanocomposites anisotropes aux propriétés optiques modulables.

Ainsi, ce travail illustre comment l’association des approches expérimentales in situ et des outils de caractérisation non invasifs et de modélisation avancés permet de concevoir et d’optimiser des nanocomposites plasmoniques Ag–PVA aux caractéristiques contrôlables.

Silver nanoparticles exhibit plasmonic resonances induced by the collective oscillations of their free electrons, the position, width and amplitude of which depend on their size, shape and host medium. Growing these nanoparticles in dielectric thin films leads to promising nanocomposites, particularly for optical and photonic applications. The challenge is to gain a detailed understanding of the growth mechanisms and to control the morphological characteristics of these nanoparticles in order to optimize their optical properties.

In this context, this thesis focuses on three main areas:
(I) the study of the growth mechanisms of silver nanoparticles in polymer thin films by thermal and photonic means,
(II) the development of non-invasive optical diagnostic tools for in-situ monitoring of the development kinetics of these nanocomposites,
(III) the formulation of theoretical models for modelling their optical properties.

Experimentally, spectroscopic ellipsometry and UV-Visible spectrophotometry are being used to monitor and understand nanoparticle growth kinetics in situ. The data obtained is fed into modified Avrami-type growth models and a new model proposed here, enabling the role of key parameters such as the initial concentration of silver ions or the microstructure of the film to be identified. In addition, analysis by transmission and scanning transmission electron microscopy sheds light on the morphology of the nanoparticles.

A second section is devoted to the theoretical and numerical models used to simulate and model the optical properties of nanocomposites. In addition, the use of artificial neural networks speeds up the inversion of ellipsometric maps in ex-situ, offering a considerable gain in speed and accuracy for determining the film thickness, volume fraction and shape distribution of nanoparticles. Finally, the influence of an external electric field applied during synthesis was explored, paving the way for anisotropic nanocomposites with modulable optical properties.

This work illustrates how the combination of in situ experimental approaches and advanced non-invasive characterization and modelling tools can be used to design and optimize plasmonic Ag-PVA nanocomposites with controllable characteristics.