Institut des
NanoSciences de Paris
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Nanostructures et optique

Opales : synthèse et couplage à des nanocristaux

Une opale est un empilement périodique de billes de silice ou de polymère de quelques centaines de nanomètres, obtenu à partir d’une solution de billes de silice par dépôt auto-assemblé. Dans le cristal photonique tridimensionnel ainsi constitué, la propagation de la lumière ainsi que l’émission d’un nanocristal peuvent être fortement inhibées ou exaltées, suivant la longueur d’onde et la direction considérées. En infiltrant une solution de nanocristaux dans une opale, nous avons mis en évidence en 2009 une inhibition et une redirection de l’émission des nanocristaux.

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Figure 1 : Images MEB (D. Demaille, INSP) de billes et opales synthétisées à l’INSP : (a) Opale recouverte d’une couche de billes plus grosses par la méthode de Langmuir-Schaeffer puis d’une seconde opale par la méthode convective. (b) Opale recouverte d’une couche de silice par évaporation puis d’une seconde opale par la méthode convective (la flèche rouge indique l’épaisseur de silice déposée).

Par nos moyens de caractérisation (optique, AFM, MEB), nous collaborons avec plusieurs groupes, en France et à l’étranger, qui synthétisent des opales. Nous avons développé depuis 2010 une activité de fabrication d’opales à l’INSP : synthèse de billes de silice, dépôt d’opales par méthode convective. Nous avons introduit un défaut (volontaire) planaire dans l’opale, consistant soit en une couche de silice puis d’une deuxième opale (fig. 1b), soit en une couche de billes plus grosses (fig. 1a). Le spectre de transmission de ces échantillons présente, dans le creux correspondant à la bande stoppante du cristal photonique, un pic passant correspondant au mode de défaut (fig. 2a). La longueur d’onde de ce pic peut être ajustée via l’épaisseur de silice (qui est bien contrôlée lors du processus de dépôt) et est en parfait accord avec le résultats de nos simulations de FDTD (fig. 2b).

Figure 2 : (a) Spectre de transmission d’une opale comportant un défaut (couche de silice de 120 nm déposée par évaporation), à angle d’incidence nul. (b) Evolution de la longueur d’onde du mode de défaut mesuré (carrés rouges) et simulé (étoile noire) en fonction de l’épaisseur du défaut de silice.

Nos études portent actuellement sur la réalisation d’opales inverses à base de polymères à empreinte moléculaire (PEM). Ces polymères sont capables de fixer, de manière extrêmement sélective, une molécule cible. Ils se dilatent alors, ce qui se manifeste, pour une opale à base de PEM (figure 3), par une modification des propriétés optiques. Une telle opale peut donc être utilisée comme sonde chimique sélective avec une lecture optique de l’information. Nous avons récemment démontré la synthèse de polymères capables de fixer sélectivement un type de nanocristaux de taille et de ligand donnés.

Figure 3 : Image MEB d’une opale inverse de PEM synthétisée à l’INSP.

 

Collaborations :

- Serge Ravaine et Renaud Vallée au CRPP (Bordeaux)

- Pham Thu Nga à l’IMS (VAST, Hanoï)

- Alex Gruzintev à l’IMTHPM (Chernogolovka, Russie)

-  Claire Mangeney à l’ITODYS (Paris)

-  Michel Goldmann et Marie-Claude Fauré à l’INSP

 

Communications :

- Céline Bourdillon, Phan Ngoc Hong, Willy Daney de Marcillac, Laurent Coolen, Agnès Maître et Catherine Schwob, Manipulation of the fluorescence of nanocrystals by opal-based heterostructures, J. Mater. Chem. C 3, 9734 (2015)

- Sarra Gam-Derrouich, Céline Bourdillon, Willy Daney de Marcillac, Laurent Coolen, Agnès Maître, Claire Mangeney et Catherine Schwob, Quantum dot-imprinted polymers with size and shell-selective recognition properties, Chem. Comm. 51, 14933 (2015)

- P. N. Hong, C. Bourdillon, P. Benalloul, L. Coolen, A. Maître, Z. Guennouni-Assimi, R. Farha, M.-C. Fauré, M. Goldmann, N. Griffete, C. Mangeney et C. Schwob, Design of self-assembled photonic crystals for chemical sensing, International Conference on Nanoscience + Technology (ICN+T), Vail (Etats-Unis), 21-25 juillet 2014

- Phan Ngoc Hong, C. Bourdillon, P. Bénalloul, L. Coolen, A. Maître, Z. Guennouni-Assimi, R. Farha, M-C. Fauré, M. Goldmann, N. Griffete, C. Mangeney et C. Schwob, Design of self-assembled photonic crystals for chemical sensing, 16th International Conference on Transparent Optical Networks ICTON 14, Graz (Autriche), 6-10 juillet 2014

- Phan Ngoc Hong, Paul Bénalloul, Zineb Guennouni-Assimi, Rana Farha, Céline Bourdillon, Marie-Claude Fauré, Michel Goldmann, Willy Daney de Marcillac, Laurent Coolen, Agnès Maître et Catherine Schwob, Optical properties of an opal with a planar defect fabricated by inverse Schaefer and Langmuir-Blodgett techniques, Opt. Quant. Electron. DOI 10.1007/s11082-014-9939-6 (2014),

- Amaury Avoine, Phan Ngoc Hong, Hugo Frederich, Kifle Aregahegn, Paul Bénalloul, Laurent Coolen, Catherine Schwob, Pham Thu Nga, Bruno Gallas et Agnès Maître, Measurement and modelization of silica opal optical properties, Adv. Nat. Sci. : Nanosci. Nanotechnol. 5, 015005 (2014)

- Hong P. N., Guennouni-Assimi Z., Farha R., Faure M-C., Goldmann M., Daney de Marcillac W., Coolen L., Maître A., Schwob C. et Benalloul P., Nanomemittors in a defect layer embedded in a photonic crystal : synthesis an optical characterization, Caspian Journal of Applied Mathematics, Economics and Ecology V. 1, No 1 (2013),

- Phan Ngoc Hong, Paul Bénalloul, Laurent Coolen, Agnès Maître et Catherine Schwob, A sputtered-silica defect layer between two artificial silica opals : an efficient way to engineer well-ordered sandwich structures, J. Mat. Chem. C 1, 5381 (2013)

- Amaury Avoine, Hugo Frederich, Phan N. Hong, Bruno Gallas, Laurent Coolen, Catherine Schwob et Agnès Maître, Optical properties of a three-dimensional photonic crystal, International Symposium on Photonic and Electromagnetic Crystal Structures (PECS – X), Santa Fe, Etats-Unis, 3-8 juin 2012

- Amaury Avoine, Phan Ngoc Hong, Hugo Frederich, Jean-Marc Frigerio, Laurent Coolen, Catherine Schwob, Pham Thu Nga, Bruno Gallas et Agnès Maître , Measurement and modelization of silica opal reflection properties : Optical determination of the silica index, Phys. Rev. B 86, 165432 (2012)

- N. Griffete, H. Frederich, A. Maître, S. Ravaine, M. M. Chehimi et C. Mangeney, Inverse Opals of Molecularly Imprinted Hydrogels for the Detection of Bisphenol A and pH Sensing, Langmuir 28, 1005 (2012)

- Nébéwia Griffete, Hugo Frederich, Agnès Maître, Mohamed M. Chehimi, Serge Ravaine et Claire Mangeney, Photonic crystal pH sensor containing a planar defect for fast and enhanced response, J. Mater. Chem. 21, 13052 (2011)

- J. F. Dechézelles, G. Mialon, T. Gacoin, C. Barthou, C. Schwob, A. Maître, R. A. L. Vallée, H. Cramail et S. Ravaine, Inhibition, exaltation of emission in layer-controlled colloidal photonic architectures, Colloids and Surfaces A : Physicochemical and Engineering Aspects (2010), 373, 1-5 (2011)

-  P. N. Hong, H. Frederich, J. Laverdant, L. Coolen, P. Benalloul, J.-M. Frigerio, P. T. Nga, A. Maître et C. Schwob, Synthesis and characterization of self-assembled photonic crystals for enhancement of single nanocrystals photon emission, 5th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (IWAMSN2010), Hanoi (Vietnam), Novembre 2010.

-  Céline Vion, Carlos Barthou, Paul Bénalloul, Catherine Schwob, Laurent Coolen, Alex Gruzintsev, Gennadii Emel’chenko, Vladimir Masalov, Jean-Marc Frigerio, et Agnès Maître, Angle- and time-resolved luminescence of colloidal nanocrystals in artificial opals, Nanophotonics, Conference 7712 - Proceedings of SPIE Volume 7712, Arc (Belgique), 12 - 16 Avril 2010

- N. Griffete, M. Dybkowska, B. Glebocki, T. Basinska, C. Connan, A. Maître, M. Chehimi, S. Slomkowski, C. Mangeney, Thermoresponsive colloidal crystals built from core-shell poly(styrene/a-tert-butoxy-w-vinylbenzyl-polyglycidol) microspheres Langmuir, 26, 11550 (2010)

-  J.F Dechézelles, T. Aubert, F. Grasset, C. Barthou, C. Schwob, A. Maître, R. Vallée, H. Cramail, S. Ravaine, Fine tuning of emission through the engineering of colloidal crystals, Phys. Chem. Chem. Phys. 12, 1199311999 (2010)

-  Céline Vion, Carlos Barthou, Paul Bénalloul, Catherine Schwob, Laurent Coolen, Alex Gruzintev, Gennadi Emel’chenko, Wladimir Masalov, Jean-Marc Frigerio, et Agnès Maître, Manipulating emission of CdTeSe nanocrystals embedded in 3D photonic crystals, Journal of Applied Physics, 105, 113120 (2009).

-  P. Benalloul, C. Vion, C. Barthou, C. Schwob, J.M. Frigerio, A. Maitre, A. Grusintsev, G. Emelchenko, W. Masakov, Pham Thu Nga, Manipulating Emission of CdSe/Zns nanocrystals embedded in synthetic opals, ACTP-ASEAN workshop on advanced Materials Science and Nanotechnology (AMSN2008), Nha Trang, Vietnam, (15-21 /09/2008), IOP Publishing, Journal of Physics : Conference Series 187 (2009) 012004

-  Catherine Schwob, Céline Vion, Amayry Avoine, Carlos Barthou, Paul Benalloul, Laurent Coolen, Jean-Marc Frigerio, Agnès Maître, Alex Gruzintsev, Gennadi Emelchenko, Wladimir Masalov, et Pham Thu Nga, Manipulating emission of CdSe/ZnS nanocrystals embedded in 3D photonic crystals, 2nd Eureopean Topical Meeting on Nanophotonics and Metamaterials, 5-8 Janvier 2009, Seefeld, Tirol, Autriche, Nanometa 2009.

-  C. Vion, C. Barthou, P. Benalloul, C. Schwob, L. Coolen, A.N. Gruzintsev, G.A. Emelchenko, W.M Masalov, J.-M. Frigerio, A. Maitre, Manipulating Emission of CdSe Quantum Dots Embedded in Synthetic Opals, 14th international conference on II-VI compounds, Saint Petersbourg, Russie, 23-28 Août (2009).

- C. Vion, C. Barthou, P. Bénalloul, C. Schwob, L. Coolen, J.-M. Frigerio et A. Maître, Angle-resolved luminescence of CdSe/ZnS nanocrystals in 3D photonic crystals, EOS Annual Meeting (Paris, France, septembre 2008)

- M. Romanelli, C. Vion, C. Barthou, P. Benalloul, J.-M. Frigerio, A. Maître, Pham Thu Nga, Pham Thai Cuong, A. Gruzintsev, A. Redkin, Angle-resolved reflectivity and self-activated luminescence of 3D photonic crystals, J. of the Korean Physical Society, 52, 1589 (2008)

- A N. Gruzintsev, G. A. Emelchenko, V. M. Masalov, M. Romanelli, C. Barthou, P. Benalloul et A. Maître, Luminescent properties of opals, Inorganic Materials 44, 159 (2008)

- M. Romanelli, C. Vion, C. Barthou, P. Benalloul, J.-M. Frigerio, A. Maître, Pham Thu Nga, Pham Thai Cuong, A. Gruzintsev et A. Redkin, Experimental study of 3 D photonic crystals, 1st IWOFM – 3rd IWONN Conference (Halong City, Vietnam, décembre 2006)