Cooling of a single gold nanodisk
Refroidissement d’un nanodisque d’or individuel
June 2020
Juin 2020
Whereas the laws governing heat exchanges at the macroscopic scale have been well mastered since the nineteenth century, the propagation of heat at the nanoscale still raises many fundamental questions. It is more complex, due to the increased role played by interfaces and its possibly non-diffusive nature. It also plays a crucial role in many applications, for example in electronics where efficient cooling of nanometric components is absolutely necessary to avoid their damage.
In this context, researchers of the FemtoNanoOptics group have successfully studied the cooling of an individual gold nanodisk lithographed on a sapphire substrate. To do so, they used a time-resolved optical spectroscopy experiment based on a pump-probe approach, coupled to a spatially modulated microscope. The use of ultrashort laser pulses makes it possible to suddenly heat the investigated nanodisk and to monitor its cooling over timescales of the order of the nanosecond. The main originality of this study is related to the realization of such experiments at the single nano-object scale, rather than on a large number of nanoparticles at the same time, which enables finer and quantitative information to be obtained.
The measurements in particular showed that the cooling kinetics of the nanodisks mainly depends on their thickness, and little on their diameter. In addition, their comparison to numerical models also demonstrated that these kinetics are determined by the thermal resistance at the interface between the nanodisk and its substrate, which shows small variations from a nanodisk to another.
Alors que les lois régissant les échanges thermiques à l’échelle macroscopique sont bien maîtrisées depuis le dix-neuvième siècle, la propagation de la chaleur à l’échelle nanométrique suscite toujours de multiples interrogations fondamentales. Elle est plus complexe, du fait du rôle accru joué par les interfaces et de son caractère potentiellement non-diffusif. Elle joue de plus un rôle crucial dans de nombreuses applications, par exemple en électronique où un refroidissement efficace des composants nanométriques utilisés est absolument requis pour éviter leur endommagement.
Dans ce contexte, les chercheurs de l'équipe FemtoNanoOptics sont parvenus à étudier le refroidissement d’un nanodisque d’or individuel, lithographié sur un substrat de saphir. Ils ont pour cela employé une approche expérimentale de spectroscopie optique résolue en temps de type pompe-sonde couplée à un microscope à modulation spatiale. L’utilisation d’impulsions laser ultrabrèves permet d’échauffer subitement le nanodisque étudié et de suivre son refroidissement sur des durées de l’ordre de la nanoseconde. L’originalité principale de cette étude est liée à la réalisation de telles expériences à l’échelle du nano-objet individuel, plutôt que sur un grand nombre de nanoparticules à la fois, ce qui permet d’obtenir des informations plus fines et quantitatives.
Les mesures effectuées ont notamment montré que la cinétique de refroidissement des nanodisques dépendait principalement de leur épaisseur et peu de leur diamètre. De plus, leur comparaison à des modélisations numériques a également démontré que cette cinétique était déterminée par la résistance thermique à l’interface entre le nanodisque et son substrat, et que celle-ci variait peu d’un nanodisque à l’autre.
Further information:
Pour en savoir plus :
R. Rouxel, M. Diego, F. Medeghini, P. Maioli, F. Rossella, F. Vallée, F. Banfi, A. Crut and N. Del Fatti
"Ultrafast Thermo-Optical Dynamics of a Single Metal Nano-Object"
Journal of Physical Chemistry C 124, 15625 (2020)