Mesures et modélisation du travail de sortie de nanoparticules d'or fonctionnalisées et supportées

Le travail de sortie d’un métal est une propriété fondamentale en physico-chimie des matériaux. C’est l’énergie nécessaire pour extraire un électron depuis le niveau de Fermi vers le niveau du vide. Il est connu que cette grandeur dépend de la nature du métal, mais aussi que d’autres paramètres ont une influence notable. Ainsi ce travail de thèse montre comment le travail de sortie peut être modulé par une couche de molécules auto assemblées sur la surface métallique, et comment il évolue quand le matériau est sous forme de nanoparticules. La présente étude se concentre sur des nanoparticules d’or (AuNPs) de diamètres compris entre 10 et 60 nm, et étudie les effets de fonctionnalisation par quatre molécules : l’hexanedithiol (HDT), l’aminooctanethiol (AOT), l’acide mercaptohexadecanoïque (MDHA) et le dodécanethiol (DDT). Après une étude détaillée des morphologies des surfaces planes d’or fonctionnalisées par microscopie à force atomique (AFM), des mesures de travail de sortie sur ces surfaces sont effectuées par microscopie à sonde de Kelvin (KPFM). En comparant ces résultats à des mesures de photoémission (UPS), l’effet de chaque fonctionnalisation est mis en évidence. Par exemple, le travail de sortie d’une surface fonctionnalisée par MHDA diminue de -0.30 eV par rapport à une surface d’or non fonctionnalisée. Ces résultats montrent aussi l’effet sur le travail de sortie du temps de contact avec l’atmosphère ambiante. Ensuite, nous abordons le cas des AuNPs, synthétisées par voie colloïdale, puis post-fonctionnalisées par AOT ou par MDHA. La fonctionnalisation des AuNPs est suivie par des mesures optiques basées sur la mesure du pic d’absorption (plasmon) des AuNPs dans le visible. Après fonctionnalisation, leur travail de sortie est mesuré par KPFM. Ces mesures mettent en évidence deux phénomènes : la modification du travail de sortie par la fonctionnalisation, ainsi qu’une variation en fonction de la taille de l’AuNP. Dans le but de comprendre précisément cet effet de taille, nos systèmes ont été modélisés par une approche DFT (density functional theory), et les calculs de travaux de sortie ont été confrontés aux mesures expérimentales. Ces calculs sont en très bon accord avec les résultats expérimentaux, notamment sur l’évolution du travail de sortie en fonction de la taille des particules, d’environ 1 meV.nm 1.