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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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4. Applications potentielles en photonique
Nous avons vu dans les points précédents que les nanotubes de carbone présentent des propriétés de photoluminescence très riches. Ces propriétés peuvent notamment être mises en œuvre pour des applications de métrologie, ou de caractérisation de matériaux, ainsi que pour l’imagerie dans le domaine de la biologie .
Le domaine de la photonique est également très riche pour les applications potentielles des nanotubes de carbone. Brièvement, le photon est à la photonique ce que l’électron est à l’électronique. Le domaine de la photonique concerne donc la génération, le traitement et la propagation de signaux optiques, au moyen de dispositifs.
Dans cette dernière partie, nous allons faire le point sur les applications potentielles des nanotubes de carbone dans le domaine de la photonique.
4.1 Information quantique et photons uniques
L’information quantique cherche à s’appuyer sur des technologies utilisant les lois de la mécanique quantique pour, par exemple, échanger des clés de cryptage de façon inviolable. Un des verrous actuels pour sortir ces technologies du laboratoire est le développement de sources déterministes et efficaces de photons uniques aux longueurs d’ondes des télécommunications (autour de 1,3 µm et 1,55 µm). Pour produire de façon déterministe des photons uniques, il faut recourir à des émetteurs individuels. Peu émettent dans le domaine des longueurs d’onde des télécommunications. La capacité des nanotubes de carbone à émettre dans cette gamme spectrale en fait donc de bons candidats. Relativement récemment, l’émission de photons uniques a été observée dans les nanotubes de carbone. La figure 12 montre la fonction de corrélation de second ordre mesurée sur un nanotube de carbone individuel à basse température. L’observation...
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BIBLIOGRAPHIE
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(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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(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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