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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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6. Glossaire
Formes allotropiques du carbone
Le carbone est un élément existant sous différentes formes cristallines, telles que le graphite hexagonal, le graphite rhomboédrique, le diamant hexagonal ou cubique, les différentes formes de nanocarbones (nanotubes, fullerènes…). La forme thermodynamiquement la plus stable du carbone est le graphite hexagonal, vers laquelle toutes les autres formes tendent à évoluer, même si la cinétique de transformation peut être infiniment lente dans les conditions normales de température et de pression.
SWNT ; Single Wall NanoTube
Nanotube de carbone monofeuillet, conceptuellement représenté par un feuillet de graphène replié sur lui-même pour former un cylindre.
HiPCO ; High Pressure dismutation of CO
Décomposition sous haute pression de CO.
Procédé de synthèse de nanotubes de carbone monofeuillet (SWNT) par décomposition catalytique d’un gaz de CO à moyenne température (1 200 °C). Le catalyseur nécessaire à la croissance des nanotubes est formé in situ à partir des gaz précurseurs. Cette technique est à flux continu et permet la synthèse à grande échelle de SWNT. Une entreprise (Unydim) commercialise les nanotubes produits par ce procédé.
PL ; Photoluminescence
Processus d’émission de lumière dans un semi-conducteur après absorption de photons d’énergie supérieur au gap.
Il est à noter que le terme de photoluminescence regroupe les phénomènes de fluorescence et de phosphorescence. La fluorescence est caractérisée par un retour direct de l’état excité à l’état fondamental, tandis qu’un matériau phosphorescent passe par un état intermédiaire avant d’émettre de la lumière.
PLE ; Photoluminescence Excitation
Excitation de la Photoluminescence (spectroscopie)
Technique de spectroscopie consistant à enregistrer la PL des nanotubes pour différentes énergies d’excitation. Les cartes d’excitation de photoluminescence permettent d’identifier les espèces de nanotubes présentes dans un échantillon.
PFO ; Polyfluorène
Polymère aromatique utilisé dans les procédés d’extraction de nanotubes semi-conducteur et formant des couches minces présentant une forte PL des nanotubes.
Fonction de corrélation du second ordre
Elle est mesurée...
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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).
-
(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).
-
(5) - AVOURIS (Ph.) - Molecular Electronics with Carbon Nanotubes. - Acc. Chem. Res., 35, 1026 (2002).
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(6)...
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/
HAUT DE PAGE
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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