Rayonnement synchrotron THz dans le graphene ondulé

Synchrotron-like THZ emitters based on corrugated graphene

• Auteur / Autrice : Romaine Kerjouan
• Direction : Robson Ferreira
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 06/10/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de l'ENS (Paris ; 2019-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Noël Fuchs
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Robson Ferreira, Christophe Delerue, Milan Orlita, Juliette Mangeney, Daniel Dolfi, Rebeca Ribeiro palau, Jérémie Torres
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Delerue, Milan Orlita

Mots clés

Mots clés libres

Graphène

Terahertz

Synchrotron

Spectroscopie Raman

Déformation

Optique des fermions de Dirac

Graphène

Terahertz

Synchrotron

Raman Spectroscopy

Strain

Dirac Fermion Optics

Résumé

Dans le spectre électromagnétique, le domaine Térahertz se situe entre la lumière visible et les micro-ondes. Ses applications potentielles sont vastes et prometteuses. Malheureusement, les sources et les détecteurs sont actuellement peu performants à ces fréquences. Mon projet doctoral a pour but de proposer un nouveau type d’émetteur Térahertz à l’échelle micrométrique en utilisant l’effet synchrotron dans du graphène ondulé. Le graphène est constitué d’une couche monoatomique d’atomes de carbone organisés en hexagones. Il présente des propriétés remarquables tant mécaniques qu’électroniques. Lorsque les électrons traversent les ondulations du graphène, ils subissent une accélération angulaire et émettent alors une onde électromagnétique. La fréquence de l’onde dépend de la géométrie de l’ondulation d’après le modèle théorique que j’ai développé. La nanofabrication d’échantillons de graphène ondulé en salle blanche a représenté un grand défi pour ce projet. Nous les avons ensuite caractérisé par spectroscopie Raman et par transport électronique. Dans les deux cas, le comportement du graphène corrugué diffère nettement de celui attendu pour le graphène plan. Nous avons montré que ses déviations pouvaient être expliquées quantitativement et qualitativement par la présence de contraintes mécaniques dans les échantillons corrugués. Qui plus est, les outils théoriques que nous avons construits pour expliquer nos résultats expérimentaux ont abouti à des résultats très prometteurs. Dans certaines conditions de contrainte mécanique, le graphène peut devenir isolant. Dans d'autres conditions, la contrainte sépare spatialement les électrons de « vallées » différentes (nombre quantique lié aux symétries particulières du graphène). Ces propriétés pourraient ouvrir la voie à de nouvelles applications pour ce matériau.

In the electromagnetic spectrum, the Terahertz domain is located between visible light and microwaves. Its potential applications are vast and promising. Unfortunately, sources and detectors are currently not very efficient at these frequencies. My PhD project aims at proposing a new type of Terahertz emitter at the micrometer scale by exploiting the synchrotron effect in corrugated graphene. Graphene consists of a monoatomic layer of carbon atoms organized in a honeycomb lattice. It presents remarkable mechanical and electronic properties. When electrons cross the corrugations of graphene, they undergo an angular acceleration and emit an electromagnetic wave. According to the theoretical model I have developed, the frequency of the wave depends on the geometry of the corrugation. The nanofabrication of corrugated graphene samples in a clean room was a great challenge for this project. We characterized them by Raman spectroscopy and by electronic transport. In both cases, the behavior of corrugated graphene differs significantly from what is expected for planar graphene. We have shown that these deviations can be explained quantitatively and qualitatively by the presence of mechanical strain in the corrugated samples. Moreover, the theoretical tools we have built to explain our experimental results have led to very promising results. Under certain conditions of mechanical strain, graphene can become insulating. Under other conditions, the stain spatially separates electrons of different "valleys" (quantum number related to the particular symmetries of graphene). These properties could pave the way to new applications for this material.