Propriétés électro-optiques de réseaux de nanotubes encapsulé

LABORATOIRE CHARLES COULOMB
OFFRE DE THESE 2016
Spécialité doctorale : Physique
Inscription en thèse : Université de Montpellier
ENCADREMENT DE LA THESE
Directeur de thèse : Laurent ALVAREZ
Co-encadrant éventuel : Nicolas IZARD
Correspondant/Contact : IZARD Nicolas, 04 67 14 35 28, [email protected]
Titre en français : Propriétés électro-optiques de réseaux de nanotubes encapsulés
Titre en anglais : Electro-optical properties of encapsulated carbon nanotube network
Financement : Sujet ouvert au concours de l’ED. Contacter l’équipe.
Profil(s) de candidats souhaité(s) : Physicien expérimentateur
Présentation détaillée en français :
Contexte
Ces dernières années, un nouveau champ de recherche a émergé dans le domaine de la
photonique des nanotubes de carbone (SWNT), grâce à leur forte photoluminescence (PL)
dans le domaine du proche infra-rouge (NIR). De nombreux progrés ont été accomplis,
comme l’intégration des SWNT avec des guides d’ondes, leur couplage avec des cavités
photoniques, ou l’observation de source à photon unique. Ces résultats prometteurs
ouvrent la route auxSWNT pour les applications dans le domaine de la photonique, mais se
focalisent sur l’ingéniérie de l’exciton sous pompage optique. D’un autre côté, peu d’études
se sont attachés à étudier la commande électrique des nanotubes pour obtenir un effet
d’électro-luminescence (EL), condition sine qua non pour une percée des SWNT en
photonique. Ces premiers résultats ont été obtenus avec des SWNT individuel constituant le
canal d’un transistor à effet de champ, ce qui implique de nombreuses limitations. Ainsi,
l’utilisation de réseaux de taille mésoscopique, comprenant de quelques dizaines a
quelques centaines de nanotubes de carbone semiconducteurs (s-SWNT) serait beaucoup
plus favorable à l’émergence d’applications, grâce à un meilleur signal et homogénéité, et
sans les problèmes d’adressage individuel des nanotubes.
Dans ce projet de thèse, deux types d’échantillons de nanotubes seront étudiés : i) un
échantillon de nanotubes vide fortement enrichis en s-SWNT par un tri spécifique, permettant
d’émettre sur une large gamme dans le NIR en fonction de la large distribution de diamètre
des nanotubes, ii) un échantillon de nanomatériaux hybride, consistant en une molécule
photo-active confinée à l’intérieur du s-SWNT. Il a été montré que ces systèmes présentent
une PL significativement améliorée par rapport aux même nanotubes vides, permettant soit
d’accroître l’intensité d’émission, soit de réduire la quantité de s-SWNT dans les réseaux,
limitant les effets d’extinction de PL. De plus, les molécules confinées modifient les
propriétés de PL des nanotubes d’un certain diamètre, permettant d’avoir un contrôle étroit
sur le domaine d’émission NIR des nanotubes.
L’objectif principal de ce projet de thèse est d’optimiser les réseaux de nano-systèmes
(nanotube vide ou hybrides) afin d’obtenir un effet d’électro-luminescence de manière
contrôlée.
Travail scientifique et techniques, prés-requis
Les mécanismes d’électroluminescence à l’échelle du nanotube individuel sont maintenant
bien établis, maisles processus d’émission de lumière lorsque les nanotubes sont assemblés
sous forme de réseau font encore l’objet de discussions. Ainsi, la première partie du travail
consisteras à étudier l’EL d’un film de nanotubes. De plus, l’effet du confinement lorsque
les molécules photo-actives sont encapsulées à l’intérieur du nanotube n’est pas encore
clair. Une part importante du travail consisteras a comprendre les propriétés physiques des
nanosystèmes hybrides.
Les différentes taches à mettre en œuvre dans cette thèse seront :
- utiliser les techniques avancées développés au L2C pour extraire spécifiquement les s-SWNT
- utiliser le savoir-faire du L2C en encapsulation pour insérer des molécules spécifiques à
l’intérieur des s-SWNT
- réaliser et caractériser des dispositifs électroluminescents à l’échelle du nanotube unique, en
utilisant
différentes
configurations
pour
optimiser
la
recombinaison
de
l’électroluminescence. Des études poussées sur les dispositifs seront réalisés pour servir de
base à une modélisation physique
- étudier l’organisation supra-moléculaire des molécules photo-actives à l’intérieur des
nanotubes pour l’amélioration de la PL/EL
- transférer le savoir-faire obtenu à l’échelle du nanotube unique sur un réseau constitué de
s-SWNT. Le principal défi scientifique sera de réaliser une injection efficace des porteurs
dans un réseau dense de nanotubes. Les mécanismes physiques mis en jeu seront étudiés et
modélisés.
Compétences
Ce projet de thèse est adapté pour un étudiant avec un background en physique, physique
appliqué ou nanosciences. Une connaissance préalable des nanotubes de carbone n’est pas
nécessaire, mais des connaissances de base en physique du solide sont obligatoires. La thèse
implique un travail conséquent en salle blanche et avec des expériences optiques en espace
libre, le goût pour le travail expérimental est obligatire.
Ce sujet de thèse est fortement multidisciplinaire, nécessitant une forte implication en
science des matériaux for l’extraction des s-SWNT, la manipulation et l’orientation dans des
réseaux 2D, et l’encapsulation de molécules. Une forte expertise en optique et spectroscopie
sera acquise, grâce à l’étude des échantillons par spectroscopie Raman, et mesures électrooptiques (micro- photoluminescence, photo-courant et EL). De plus, la réalisation des
structures photoniques sera réalisé en salle blanche, permettant le développement de
compétences en nanofabrication durant la thèse.
L’étudiant en thèse bénéficiera d’un réseau collaboratif existant entre différentes équipes du
L2C, du Laboratoire Aimé Cotton (Univ. Paris-Sud, Orsay) et du CEA Saclay, en particulier
pour un support en chimie.
Ce sujet de recherche est une opportunité pour un étudiant motivé de se former a des
techniques à
l’état de l’art, et acquérir un profil interdisciplinaire recherché dans le monde de la recherche.
Présentation détaillée en anglais (non obligatoire mais recommandé) :
Context:
These last years, a new research field about carbon nanotube (SWNT) photonics emerged
thanks to their strong photoluminescence (PL) in the near infra-red (NIR). Several
progress have been made, such as SWNT integration with silicon waveguide, coupling with
photonic cavities, or observation of single photon source. These pioneering results open
the way for SWNT photonic applications, but focused on exciton engineering by optical
pumping. On the other hand, few studies buckled up with electrical driving to achieve
electro-luminescence (EL), which is mandatory for any real breakthrough of SWNT in the
photonic realm. These early results were achieved on individual SWNT acting as a channel
in a field effect transistor, which induce severe limitations. Thus, use of mesoscopic scale
networks comprised of a few tens up to a few hundreds of semiconducting nanotube (sSWNT) would be much more favorable for the emergence of applications, with better
signal and homogeneity and without individual nanotube addressing issues.
This PhD project relies on the study of two kinds of nanotube samples: i) empty nanotubes
sample strongly enriched in s-SWNT by specific sorting, allowing to emit in a broad NIR
range according to the wide diameter distribution ii) hybrid nano-materials consisting in
photo-active molecules confined into s-SWNT. These systems have been shown to display
significantly enhanced PL with respect to empty tubes, allowing to either increase the
emitted intensity or to reduce the amount of s-SWNT in the network, preventing PL
quenching. In addition, confined molecules alter the PL properties of SWNT with specific
diameter, allowing to narrow and control the NIR emission range.
The main objective of this PhD thesis project is to optimize nano-system network (empty
tubes or hybrid materials) in order to achieve in a controlled way efficient electroluminescence.
Scientific and technical work, prerequisites:
Electroluminescence mechanism at the single nanotube level is now well established, but
mechanisms of light emission when nanotubes are assembled into networks are still under
discussion. Thus, the first part of the work will concern the study of EL by a film of
nanotubes. In addition, confinement effect when photo-active molecules are encapsulated
inside nanotubes are still not clear. One important part of the work will be dedicated to
the understanding of the physical properties of the hybrid nano-systems.
The different tasks involved in this PhD thesis will be:
- use advanced techniques developed at L2C to specifically extract s-SWNT.
- use L2C know-how in encapsulation to insert specific molecules inside s-SWNT.
- realize and characterize electroluminescent devices at the single nanotube scale, using
several configuration to optimize the electroluminescent recombination. Advanced devices
investigation will be performed to serve as a basis for physical modeling/
- study of the supramolecular organization of photo-active molecules inside nanotubes
for PL/EL optimization.
- transfer the know-how gained at the single nanotube scale to a network made from sSWNT. The principal scientific challenge will be to realize an efficient carrier injection
into a dense nanotube networks. The physical mechanisms involved will be studied and
modeled.
Skills:
This project is adapted for a PhD student with a background in physics, applied physics or
nanosciences. Prior knowledge of carbon nanotube science is not necessary, but basic
knowledge of solid state physic is mandatory. The PhD thesis involve substantial
experimental work in clean room and free space optical setup, the taste for experimental
work is mandatory.
This PhD thesis is strongly multidisciplinary, requiring a strong involvement in material
science for semiconducting carbon nanotube extraction, manipulation and orientation into
2D networks, and molecules encapsulation. A strong expertise in optics and spectroscopy is
required as well, for sample investigations by Raman spectroscopy, and electro-optical
measurements (micro-photoluminescence,
photo-current and EL). Moreover, photonic structures will be fabricated in clean room
environment,
allowing to develop skills in nanofabrication during the thesis.
The PhD student will benefits from an existing collaborative network composed of several
teams at L2C, the Laboratoire Aimé Cotton (Univ. Paris-Sud, Orsay) and the CEA
Saclay, in particular for chemistry support.
This research subject is an opportunity for a motivated student to form himself to state of
the art
techniques, and acquire an interdisciplinary profile that is widely sought for in today's research.