La microscopie électronique ultrarapide démontre la photo-commutation des particules uniques à transition de spin

27 October 2021
Certains nanomatériaux à transition de spin (SCO, pour « Spin-CrossOver ») ont la particularité de changer de taille sous impulsions laser ou thermique. La microscopie électronique à transmission (MET) ultrarapide nous permet d’observer au plus près ce changement de taille, notamment pour des particules SCO modifiées où la transition de spin est améliorée par l’intégration de nanobâtonnets d’or à chauffage plasmonique.

Les processus de commutation rapide induits par la lumière sont à la base de quantité de nouveaux nanodispositifs actionnés par impulsions laser. Les composés à transition de spin SCO, où un changement d’état de spin, par exemple, d’un état diamagnétique s = 0 à un état paramagnétique s = 2, sont un exemple emblématique de ces nouveaux matériaux très prometteurs. Dans le cas des SCO que nous avons étudiés, la transition de spin modifie la longueur de la liaison entre un atome de métal central et ses ligands organiques. Cette transition qui peut être induite par des impulsions lumineuses ou thermiques modifie donc la taille des molécules et des nanocristaux. Dans de tels nanomatériaux, des changements de taille réversibles peuvent donc être induits par impulsion laser. Si des techniques macroscopiques, telles que la diffraction des rayons X ou les mesures magnétiques, avaient déjà permis de suivre la dynamique de ce processus avec une haute résolution temporelle, il s’agissait toujours de mesures obtenues sur des ensembles massifs de nanoparticules SCO, et la dynamique d’expansion à l’échelle d’un nano-objet individuel n’avait encore jamais pu être observée jusqu’à présent.

En collaboration avec des chercheurs de l’Université de Bordeaux, la microscopie électronique à transmission ultrarapide (UTEM) de l’IPCMS a été mise à profit pour révéler les mécanismes d’expansion de nanoparticules SCO individuelles sous impulsions laser nanosecondes. Pour améliorer l’absorption de chaleur dans le SCO, des nanobâtonnets d’or ont été intégrés dans les nanocristaux de SCO. Le chauffage plasmonique ainsi généré conduit à un transfert de chaleur contrôlé vers les nanoparticules SCO, qui se dilatent d’abord sous l’effet de cette transition thermique de spin, puis rétrécissent pour retrouver leur taille initiale lors du refroidissement. Avec la MET ultrarapide, nous sommes désormais en mesure de suivre l’évolution temporelle de la taille de ces nanoparticules au cours de ce processus avec une précision de l’ordre du nanomètre et de la nanoseconde. Cette étude a notamment permis de révéler que des cristaux SCO d’une longueur de 200 à 500 nm se dilatent de 5 % en 10 à 20 ns. Il est montré que la présence des nanobâtonnets d’or plasmoniques accélère et maximise l’expansion des nanocristaux, rendant ces dispositifs plus performants.

Référence : Y. Hu, M. Picher, N. M. Tran, M. Palluel, L. Stoleriu, N. Daro, S. Mornet, C. Enachescu, E. Freysz, F. Banhart, G. Chastanet: Photo-Thermal Switching of Individual Plasmonically Activated Spin Crossover Nanoparticle Imaged by Ultrafast Transmission Electron Microscopy, Advanced Materials, https://doi.org/10.1002/adma.202105586