Hétérostructures multifonctionnelles 1D/2D optiquement actives et stabilisées dans leur environnement

Optically active 1D/2D multifunctional heterostructures stabilized in their environment

• Auteur / Autrice : Juliette Le balle
• Direction : Etienne Gaufres, Annick Loiseau
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Inscription en doctorat le 20/11/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Photonique, Numérique & Nanosciences

Mots clés

Mots clés libres

Hétérostructures

Optiquement actif

Multifonctionnel

Heterostructures

Optically active

Multifunctional

Résumé

L'objet général de la thèse est de former une nouvelle classe de nanohybrides semiconducteurs luminescents ultrarésistants et basés sur le confinement et l'alignement de molécules fluorescentes à l'intérieur de nanotubes de nitrure bore, (Mol@BNNT). Ces nanohybrides seront assemblés en couches minces et intégrés dans des hétérostructures de matériaux 2D pour la photonique. La thèse s'articule autour de trois grands axes : Axe 1 : Les molécules envisagées dans un premier temps seront celles déjà utilisées dans notre article. (famille des polythiophènes) D'autres molécules actives dans le visible comme celle utilisées dans les lasers à colorants (e.g. rodhamine), ou comme celles utilisées en bio-imagerie et active dans le proche infrarouge (type Alexa). Ces caractérisations seront réaliséees en croisant des techniques optiques (microRaman polarisé, micro-photoluminescence (LP2N)) et par microscopies électronique et force atomique (EELS, HRTEM, AFM (LEM)), comme nous l'avons déjà fait pour l'article paru en 2020 et issu de la collaboration LEM/LP2N. Axe 2 : La résistance des propriétés optiques des Mol@BNNT sera évaluée par des tests en environnement contrôlé (LP2N/LEM) qui comprennent des recuits, à l'air, sous vide ou sous pression partielle d'oxygène, des immersions de durée déterminée dans des solutions acide ou super acide. Des expositions sous flux lumineux intenses dans des chambres optiques dont il est possible de piloter le taux d'humidité et la température. Les premiers test seront réalisés sur des systèmes peu denses de Mol@BNNT déposés sur substrat dont on suivra « individuellement » le comportement pour une meilleure compréhension des phénomènes de dégradation en environnements extrêmes. Ensuite ces mêmes tests seront appliqués à des Mol@BNNT assemblés en couches minces, films ou composites. Axe 3 : L'intégration des film minces de Mol@BNNT dans des hétérostructures de matériaux 2D se fera progressivement au fur et à mesure de l'avancement des autres axes. Les premières hétérostructures « test » envisagées seront basées sur un empilement Graphène/Mol@BNNT/graphene et comparées à un empilement hBN/Mol@BNNT/hBN. Par la suite, des hétérostructures plus complexes seront réalisées de type : hBN/MoS2/Mol@BNNT/hBN de façon à tirer profit des couplages/interactions optiques entre le MoS2 et les Mol@BNNT. Les transferts d'énergie, le piégeage excitonique seront caractérisés par des cartographies de luminescence à basse température au LP2N.

The general aim of the thesis is to form a new class of ultra-resistant luminescent semiconductor nanohybrids based on the confinement and alignment of fluorescent molecules inside boron nitride nanotubes, (Mol@BNNT). These nanohybrids will be assembled in thin films and integrated into 2D material heterostructures for photonics. The thesis has three main focuses: Axis 1: The molecules initially considered will be those already used in our article. (Other molecules active in the visible range, such as those used in dye lasers (e.g. rodhamine), or those used in bio-imaging and active in the near infrared range (Alexa type). These characterizations will be carried out using a combination of optical techniques (polarized microRaman, micro-photoluminescence (LP2N)) and electron and atomic force microscopies (EELS, HRTEM, AFM (LEM)), as we have already done for the article published in 2020 and resulting from the LEM/LP2N collaboration. Axis 2: The resistance of Mol@BNNT optical properties will be assessed by tests in a controlled environment (LP2N/LEM), including annealing in air, under vacuum or under partial oxygen pressure, and immersion in acid or super-acid solutions for specified periods. Exposure to intense luminous flux in optical chambers where humidity and temperature can be controlled. The first tests will be carried out on low-density Mol@BNNT systems deposited on substrates, whose behavior will be monitored ''individually'' to gain a better understanding of degradation phenomena in extreme environments. The same tests will then be applied to Mol@BNNT assembled in thin layers, films or composites. Axis 3: The integration of Mol@BNNT thin films into 2D heterostructures will be carried out progressively as the other areas progress. The first ''test'' heterostructures envisaged will be based on a Graphene/Mol@BNNT/graphene stack and compared with a hBN/Mol@BNNT/hBN stack. Subsequently, more complex heterostructures of the hBN/MoS2/Mol@BNNT/hBN type will be developed to take advantage of the optical couplings/interactions between MoS2 and Mol@BNNTs. Energy transfer and excitonic trapping will be characterized by low-temperature luminescence mapping at LP2N.