Étude et caractérisation de composites nanotubes de carbone / poly (P-phénylène vinylène) par spectroscopies optiques et vibrationnelles

• Auteur / Autrice : Hassane Aarab
• Direction : Eric Faulques
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Science des matériaux
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences et technologies de l'information et des matériaux (Nantes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photoluminescence

Lumière -- Absorption

Nanotubes

Composites polymères

Résumé

Ce travail concerne l'étude des propriétés optiques de films composites de poly (p- phénylène vinylène) et nanotubes de carbone mono feuillets (PPV/NTC). La microscopie électronique à transmission et la diffraction des rayons X montrent que les nanotubes utilisés ont une structure en fagots et présentent peu d'impuretés. Des expériences d'absorption, de photoluminescence, de diffusion Raman et de photoconductivité révèlent que la conversion thermique du PPV dans les films composites est progressivement retardée lorsque la concentration de NTC augmente. On observe également une augmentation très importante de la photoconductivité caractéristique d'une percolation. Une faible fraction de NTC est alors suffisante pour créer un réseau pour la migration des porteurs de charge. Par conséquent, les NTC sont responsables aussi bien du raccourcissement des segments conjugués de PPV pendant la conversion thermique que de l'établissement d'un réseau de migration des excitations. L'extinction de la photoluminescence à mesure que le pourcentage des NTC dans les films composites augmente est due à leur mise en fagot. D'autre part, le réseau de migration des NTC empêche la recombinaison radiative des charges. Un mécanisme de séparation de charge est donc favorisé ce qui induit une forte photoconductivité. En outre, les composites PPV/NTC ont des propriétés électriques intéressantes et il est possible de contrôler l'émission dans le bleu des échantillons par un choix correct du pourcentage des NTC dans les films. Des études préliminaires effectuées en photoluminescence résolue dans le temps permettent de conforter les hypothèses. Une modélisation des profils des spectres d'absorption optique, de photoluminescence et de diffusion Raman des composites a été développée. Les spectres sont calculés par la contribution d'oligomères courts du PPV pondérée par une distribution bimodale gaussienne de segments conjugués. Le modèle montre que les défauts et les pièges fixent les excitations sur les segments courts et empêchent le transfert complet d'énergie sur les segments de conjugaison plus longue.

This thesis focuses on the optical properties of poly (para phenylene vinylene) and single walled carbon nanotubes composite thin films (PPV/SWNT). Transmission Electronic microscopy and x-ray diffraction studies show that the nanotubes used in this work are aggregated into bundles. Absorption, photoluminescence, Raman, and photoconductivity experiments carried out on composites reveal that the conversion process of PPV is gradually delayed when the relative concentration of SWNT increases. Meanwhile, a drastic increase of photoconductivity evidences a percolation mechanism. A weak fraction of SWNT is then sufficient to create a network for the migration of charge carriers. Consequently, the SWNT are responsible for the shortening of PPV segments during thermal conversion as well as for the establishment of the migration network. The photoluminescence quenching occurring when the SWNT fraction increases in films is due to the formation of SWNT bundles. In addition, the SWNT migration network prevents the radiative recombination of the charges. Charge separation is thus favoured inducing strong photoconductivity. Additionally, PPV/SWNT composites exhibit interesting electrical properties and it is possible to control their blue emission by an appropriate choice of SWNT percentage into the films. Prelimary experiments carried out on time-resolved photoluminescence are in agreement with the proposed hypothesis. Electronic and vibrational spectra of the composites are well interpreted by the contribution of various PPV oligomers weighted by a bimodal Gaussian distribution of conjugation lengths. According to this model, PPV chain defects trap excitations onto short segments and prevent complete energy transfer to segments of longer conjugation length.