Publication

Size dependence of second-harmonic scattering from nanoparticles: Disentangling surface and electrostatic contributions

Résumé

Polarimetric angle-resolved second-harmonic scattering (AR-SHS) is an all-optical tool enabling the study of unlabeled interfaces of nano-sized particles in an aqueous solution. As the second harmonic signal is modulated by interference between nonlinear contributions originating at the particle's surface and those originating in the bulk electrolyte solution due to the presence of a surface electrostatic field, the AR-SHS patterns give insight into the structure of the electrical double layer. The mathematical framework of AR-SHS has been previously established, in particular regarding changes in probing depth with ionic strength. However, other experimental factors may influence the AR-SHS patterns. Here, we calculate the size dependence of the surface and electrostatic geometric form factors for nonlinear scattering, together with their relative contribution to the AR-SHS patterns. We show that the electrostatic term is stronger in the forward scattering direction for smaller particle sizes, while the ratio of the electrostatic to surface terms decreases with increasing size. Besides this competing effect, the total AR-SHS signal intensity is also weighted by the particle's surface characteristics, given by the surface potential phi(0) and the second-order surface susceptibility chi((2))(s,2). The weighting effect is experimentally demonstrated by comparing SiO2 particles of different sizes in NaCl and NaOH solutions of varying ionic strengths. For NaOH, the larger chi((2))(s,2) values generated by deprotonation of surface silanol groups prevail over the electrostatic screening occurring at high ionic strengths; however, only for larger particle sizes. This study establishes a better connection between the AR-SHS patterns and surface properties and predicts trends for arbitrarily-sized particles.

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Liaison ionique
Une liaison ionique (ou liaison électrovalente) est un type de liaison chimique qui peut être formé par une paire d'atomes possédant une grande différence d'électronégativité (par convention, supérieure à 1,7) typiquement entre un non-métal et un métal. Le métal donne un ou plusieurs électrons pour former un ion chargé positivement (cation). Le non-métal capte ces électrons pour former un ion chargé négativement (anion). Les deux ions formés possèdent fréquemment une configuration électronique de gaz rare (ils respectent la règle de l'octet ou la règle du duet).
Double couche électrique
La double couche électrique est un modèle décrivant la variation du potentiel électrique aux abords d'une surface. Elle intervient principalement lors de l'étude du comportement des colloïdes et des surfaces en contact avec des solutions. L'épaisseur de la double couche électrique est appelée longueur de Debye. Le modèle initial de la double couche électrique est attribué à Helmholtz (1879). Mathématiquement, il a simplement assimilé la double couche à un condensateur, en se basant sur un modèle physique dans lequel une couche d'ions est adsorbée à la surface.
Champ électrique
thumb|Champ électrique associé à son propagateur qu'est le photon. right|thumb|Michael Faraday introduisit la notion de champ électrique. En physique, le champ électrique est le champ vectoriel créé par des particules électriquement chargées. Plus précisément, des particules chargées modifient les propriétés locales de l'espace, ce que traduit justement la notion de champ. Si une autre charge se trouve dans ce champ, elle subira l'action de la force électrique exercée à distance par la particule : le champ électrique est en quelque sorte le "médiateur" de cette action à distance.
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