Propriétés optiques de nanorubans et boites quantiques de graphène

Optical porperties of Graphene Nanoribbons and Qdots

• Auteur / Autrice : Shen Zhao
• Direction : Jean-Sébastien Lauret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée
• Date : Soutenance le 27/09/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Aimé Cotton (Orsay, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Andrew Mayne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Sébastien Lauret, Costanza Toninelli, Loïc Rondin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Jacques, Stéphanie Reich

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanorubans

Semiconducteurs

Graphène

Photoluminescence

Mots clés libres

Photoluminescence

Graphène

Semiconducteurs

Photoluminescence

Graphene

Semiconductors

Résumé

Ce manuscrit présente une étude expérimentale sur les propriétés optiques des nanorubans de graphène (acronyme anglais : GNRs) et des boites quantiques de graphène (acronyme anglais : GQDs) synthétisés par la chimie ascendante.Pour la partie sur les GNRs, les spectres d'absorption et de photoluminescence ainsi que les mesures de la durée de vie sur la dispersion impliquent la formation d'états excimères résultant de l'agrégation des GNRs. Au moyen de la microscopie confocale et de la microscopie à force atomique, nous observons l'émission de petits agrégats de GNRs confirmant leur capacité à émettre de la lumière à l'état solide. D'autre part, les caractérisations optiques des GNRs synthétisés sur une surface d’or présentent des caractéristiques de Raman remarquables, impliquant les propriétés vibrationnelles spécifiques des GNRs par rapport au graphène et aux nanotubes de carbone. La PL observée est spectralement large avec une énergie plus élevée que celle de la bande interdite des GNRs. Cela pourrait être lié aux défauts créés lors de la préparation de l'échantillon.Pour la partie sur les GQDs, les résultats de spectroscopie optique indiquent que les GQDs sont individualisées en dispersion plutôt que sous la forme d’agrégats. Ensuite, grâce à la microphotoluminescence, nous abordons directement les propriétés intrinsèques des GQDs uniques. Des mesures de corrélation de photons de second ordre révèlent que les GQDs présentent une émission de photons uniques avec une grande pureté. De plus, l'émission de GQD présente une bonne photo-stabilité avec une brillance élevée. Comme premier exemple de l'accordabilité optique des GQDs via le contrôle de la structure, nous observons que l'émission de GQDs fonctionalisés avec des atomes de chlore est décalée de près de 100 nm tout en maintenant une émission de photons uniques.

This manuscript presents an experimental study on the optical properties of graphene nanoribbons (GNRs) and graphene quantum dots (GQDs) synthesized by bottom-up chemistry.For the part on GNRs, the optical absorption and photoluminescence spectra as well as the life-time measurements on the dispersion of solution-mediated synthesized GNRs implies the formation of excimer states as a result of aggregation of GNRs. By means of confocal fluorescence microscopy and atomic force microscopy, we observe the emission of small GNR aggregates confirming the ability of GNRs to emit light in the solid state. On the other hand, the optical characterizations of on-surface synthesized GNRs shows remarkable Raman features, implying the distinct vibrational properties of GNRs compared to graphene and carbon nanotubes. The observed PL is spectrally broad with higher energy instead of a bright bandgap emission, which might be related to the defects created during the sample preparation.For the part on GQDs, the optical spectroscopy results indicate that GQDs are individualized in dispersions rather than in the form of aggregates. Then by means of microphotoluminescence, we directly address the intrinsic properties of single GQDs. Second-order photon correlation measurements reveal that GQDs exhibit single-photon emission with a high purity. Notably, the emission of GQDs has good photo-stability with high brightness. As a first example of the optical tunability of GQDs through the control of their structure, we observe that the emission of single edge-chlorinated GQDs is redshifted by almost 100 nm while maintaining the single-photon emission.