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RÉSUMÉ
Les nanotubes de carbone monofeuillets (SWNT) présentent des propriétés physiques originales dues à leur composition –ils sont constitués uniquement d’atomes de carbone– et à leur faible dimensionnalité. En ce qui concerne leurs propriétés optiques, les SWNT semi-conducteurs émettent de la lumière dans le proche infrarouge –on parle de photoluminescence ou de fluorescence– à des longueurs d’onde qui dépendent de leur structure et de leur environnement diélectrique. Cet article traitera des phénomènes physiques à l’origine de la photoluminescence des SWNT, et en particulier leurs propriétés excitoniques, l’influence de la structure et de l’environnement sur le spectre de photoluminescence, ainsi que les perspectives d’applications en photonique.
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Nicolas IZARD : Chargé de recherche au CNRS - Laboratoire Charles Coulomb, université de Montpellier, France
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Jean-Sébastien LAURET : Professeur d’université - Laboratoire Aimé Cotton, université Paris-Sud, Orsay, France
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Éric ANGLARET : Professeur d’université - Laboratoire Charles Coulomb, université de Montpellier, France
INTRODUCTION
Le carbone est un élément étonnant, capable de former de nombreux types de liaisons chimiques avec d’autres atomes de carbone, conduisant à une grande diversité de formes de carbone existant. Les nanotubes de carbone monofeuillet (SWNT) sont une forme de carbone particulièrement intéressante en raison de leurs faibles dimensionnalités et de leur structure modèle qui leur confèrent des propriétés physiques originales. Ainsi, les SWNT peuvent présenter un caractère métallique ou semi-conducteur, suivant leur structure. Concernant leurs propriétés optiques, les SWNT semi-conducteurs émettent de la lumière dans le proche infrarouge, phénomène appelé photoluminescence. Les longueurs d’onde d’émission des SWNT dépendent fortement de leur structure, ainsi que de leur environnement diélectrique.
Dans cet article, nous discutons des phénomènes physiques à l’origine de la photoluminescence des nanotubes semi-conducteurs. Nous décrivons en particulier le caractère excitonique du mécanisme de photoluminescence, et la forte influence de l’environnement et de la structure sur les spectres de photoluminescence. Les propriétés de photoluminescence des nanotubes sont très riches, et peuvent être mises en œuvre dans des applications variées comme la métrologie, la caractérisation de matériaux, ou encore l’imagerie dans le domaine de la biologie. Nous examinerons en détail les applications de la photoluminescence des nanotubes de carbone dans le domaine de la photonique, que ce soit pour l’information quantique, ou la réalisation de composants optique actifs tels que sources ou détecteurs de lumière.
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Phénomènes physiques et processus optiques dans les nanotubesArticle inclus dans l'offre
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1. Nanotubes de carbone
Élément de base de la vie telle que nous la connaissons, le carbone est un atome étonnant, capable de former des types de liaisons chimiques variés avec d’autres atomes de carbone. Cette versatilité est due à la structure électronique particulière du carbone, lui conférant un caractère bi, tri ou tétravalent. Ainsi est-il possible de rencontrer des formes monodimensionnelles, bidimensionnelles ou tridimensionnelles du carbone, que l’on nomme formes allotropiques du carbone.
Le graphite hexagonal est la forme thermodynamiquement stable du carbone dans les conditions normales de température et de pression, toutes les autres formes étant thermodynamiquement instables ou métastables.
La structure tridimensionnelle la plus connue du carbone est le diamant, où les atomes sont tétravalents. Le graphite présente une structure lamellaire constituée d’un empilement de feuillets où chacun d'entre eux est constitué d’atomes de carbone trivalent formant un réseau hexagonal bidimensionnel. Le graphène constitue un feuillet isolé du graphite, et donc une forme bidimensionnelle du carbone.
Enfin, le carbone peut également former des phases quasi unidimensionnelles, comme les nanotubes de carbones. On peut les concevoir par l’esprit comme des feuillets de graphène enroulés sur eux-mêmes pour former des cylindres. Les atomes de carbone sont donc dans un état trivalent et arrangés selon un réseau hexagonal. Différents types de nanotubes de carbone existent. Si un seul feuillet de graphène est replié sur lui-même, on parlera de nanotube de carbone monofeuillet. Dans le cas où plusieurs feuillets de graphène ont été repliés de façon concentrique, à l’image des poupées russes, on parlera de nanotubes de carbone multifeuillets.
Les nanotubes de carbone monofeuillet ou Single Wall Carbon Nanotubes (SWNT), découverts en parallèle par Iijima et Béthune ...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - IIJIMA (S.), ICHIHASHI (T.) - Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter. - Nature, 363, 603 (1993).
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(2) - BETHUNE (D.S.), KIANG (C.H.), DE VRIES (M.S.), GORMAN (G.), VASQUEZ (J.), BEYERS (R.) - Cobalt-catalysed growth of carbon nanotubes with single-atomic-layer walls. - Nature, 363, 605 (1993).
-
(3) - IZARD (N.), GAUFRES (E.), VIVIEN (L.) - Une nouvelle photonique à base de nanotubes de carbone. - Images de la Physique, CNRS (2011).
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(4) - JOURNET (C.), MASER (W.K.), BERNIER (P.), LOISEAU (A.), LAMY DE LA CHAPELLE (M.), LEFRANT (S.), DENIARD (P.), LEE (R.), FISCHER (J.E.) - Large-scale production of single-alled carbon nanotubes by the electric-arc technique. - Nature, 388, 756 (1997).
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(5) - AVOURIS (Ph.) - Molecular Electronics with Carbon Nanotubes. - Acc. Chem. Res., 35, 1026 (2002).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Il existe un groupe de recherche regroupant les laboratoires français travaillant sur la thématique des nanotubes de carbone et du graphène, le GDR 3217 Graphene Nanotube : http://www.graphene-nanotubes.org/
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La conférence internationale sur les sciences et applications des nanotubes (International Conference on the Science and Application of Nanotubes) a lieu chaque année, en général au début de l’été : http://nanotube.msu.edu/nt/home.html. La conférence internationale sur les propriétés optiques des nanotubes et la nano-spectroscopie (Workshop on Nanotube Optics and Nanospectroscopy) a lieu tous les deux ans, généralement au printemps : http://www.wonton2015.org/
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