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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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2. Phénomènes physiques et processus optiques dans les nanotubes
2.1 Processus d’émission de lumière
L’émission de lumière d’un semi-conducteur est appelée luminescence. Elle résulte de la recombinaison d’un électron excité dans la bande de conduction avec un trou de la bande de valence. Dans le cas de la photoluminescence, le semi-conducteur est mis dans un état hors d’équilibre après absorption d’un photon à une énergie supérieure à celle de son gap électronique (figure 5). La photoluminescence est un phénomène plus compliqué que l’absorption optique. En effet, il fait intervenir des processus de relaxation d’énergie, notamment à l’intérieur des bandes électroniques. D’autre part, le processus d’émission de lumière est une voie de retour à l’équilibre qui se trouve en compétition avec des mécanismes non radiatifs. Dans le cas des nanotubes de carbone, le premier de ces mécanismes qui affectent le rendement de luminescence est dû à des transferts d’énergie entre nanotubes. En effet, de manière naturelle, les nanotubes de carbone ont tendance à s’agréger en fagots (figure 2). Or, comme nous l’avons vu au point précédent, les nanotubes de carbone ne sont pas tous semi-conducteurs. Dans un échantillon standard, la probabilité de trouver un nanotube métallique dans un fagot de dix nanotubes est proche de 1 ...
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BIBLIOGRAPHIE
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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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