Journée de réflexion autour du Flagship Graphène 18 Avril Activités et projets. Spectroscopies optiques Propriétés opto-électroniques

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1 Journée de réflexion autour du Flagship Graphène 18 Avril 213 Activités et projets Spectroscopies optiques Propriétés opto-électroniques

2 Les groupes identifiés Bordeaux, Réseau Aquitain sur les Matériaux à base de Graphène, Groupe Nanophotonique du Laboratoire Photonique, Numérique et Nanosciences (LP2N) Responsables du projet: Brahim Lounis et Laurent Cognet Forces impliquées dans le projet Graphène: 4 permanents et 2 non-permanents Montpellier, Axe Graphène, Laboratoire Charles Coulomb (L2C), Responsable du projet: Antoine Tiberj Forces impliquées dans le projet Graphène: 11 permanents et 2 non-permanents Orléans, Equipe : Désordre et Propriétés Optiques Laboratoire Conditions Extrêmes et Matériaux: Haute température et Irradiation (CEMHTI) Responsable du projet: Mohamed Ramzi Ammar Forces impliquées dans le projet Graphène: 5 permanents et 1 non-permanents Strasbourg, Equipe Opto-électronique et Spintronique du Graphène Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS) Responsable du Projet: Stéphane Berciaud Forces impliquées dans le projet Graphène: 8 permanents et 4 non-permanents.et autres groupes

3 Savoir-faire dans l étude des propriétés optiques des nanostructures carbonées Activités reconnues et souvent originales dans l étude des propriétés optiques et /ou opto-électroniques des nanostructures carbonées: Nanotubes de carbone, en particulier au niveau individuel Graphène Graphite Carbone désordonné Techniques expérimentales Diffusion Raman Diffusion Rayleigh Absorption Imagerie par photo thermie de nano-objets Photoluminescence, y compris résolue en temps Expériences pompe sonde Spectroscopie THz Développement de spectromètres aux performances souvent uniques et de protocoles expérimentaux originaux qui sont complètement adaptés à l étude du graphène Couplage avec la théorie

4 Propriétés Savoir-faire intrinsèques dans l étude des propriétés optiques des nanotubes de carbone Rayleigh Intensity Raman Intensity Les développements en synthèse, spectroscopie optiques et diffusion Raman ont permis l étude des propriétés intrinsèques des nanotubes de carbone par des mesures au niveau du nanotube individuel. Couplage éventuellement à la diffraction électronique Diffusion Rayleigh Energies de transition Diffusion Raman Phonons Laser PL Continuum Laser Broadband Rayleigh Spectroscopy a) Single mode Laser Raman Spectroscopy b) (RBM and G mode) Electron Elastically scattered light Spectrometer Inelastically scattered light Spectrometer Freestanding SWNT S 33 S 44 c) RBM d) G+ G Photon Energy (ev) Raman Shift (cm -1 ) Diffraction d un tube (n,m)

5 Propriétés Savoir-faire intrinsèques dans l étude des propriétés optiques des nanotubes de carbone T/T (x1-4 ) Expertise des équipes sur les études des excitations électroniques par des techniques de spectroscopie optiques. Absorption Photoluminenscence Expériences pompe-sonde Spectroscopie THz Problèmes abordés: Dynamique des Excitons Création et physique Bi exciton absorption induite par un bi exciton tube (9,7) absorption induite par un trion tube (6,5) Wavelength (nm) Trions 9 ps 2 ps 5 ps 12 ps -.1 ps Photon Energy (ev)

6 Savoir-faire Etudes par diffusion des équipes Raman françaises des propriétés du graphène Caractérisation in-situ (y compris de nano dispositifs) Nombre de feuillets mono-, double-, triple- feuillets Désordre entre feuillets Bernal ou autres Désordre intra feuillet Nombre et type de défauts Dopage, déformation et propriétés thermiques Couplage avec des mesures de transmission / réflexion Raman-Reflectivity laser beam objective Photodiode Piezo stage graphene SiC Transmission SiO 2 Gate 1µm Dopage électrostatique, Couplage avec transport électrochimique, transfert de charge forts taux de dopage Contraintes et déformations 1D et 2D Propriétés thermiques G (cm -1 ) Electron concentration (1 13 cm -2 )

7 Projet : 1-Les spectroscopies optiques comme outils de caractérisation Spectroscopie optiques (diffusion Raman en particulier) sont essentielles en tant que techniques dédiées, précises et (souvent) non-invasives dans les projets qui concernent: Synthèse de graphène Contrôle de la qualité et des caractéristiques d échantillons de graphène produits par différents voies (CVD et épitaxie de SiC), Etudes in-situ Chimie du graphène Défauts (type, concentration) Fonctionnalisation Dopage Hybride graphène- métal Oxyde de graphène et oxyde de graphène réduit Questions ouvertes: Beaucoup d effets à discriminer Unification des pratiques et des protocoles (aspect métrologie) De la dénomination de ce qu on appelle graphène à l évaluation précise du type et du taux de défaut, et du niveau des contraintes

8 Projet : 2-Propriétés opto-électroniques intrinsèques du graphène suspendu Mesures combinant spectroscopie optiques - transport - photo transport sur du graphène suspendu, i.e. libre d environnement. Propriétés intrinsèques Dépendance avec l énergie d excitation (approche du point de Dirac) Effet de température Effet de la pression Spectromètre To Spectrometer Raman Filter Laser Effet du dopage Source Drain Effet de l atmosphère V SD SiO 2 Si V BG Questions ouvertes: Comprendre les processus de diffusion, d émission, d absorption Couplage électron-phonon et électron-électron Le couplage avec la théorie est essentiel Fréquence Largeur S. Berciaud et al., Nano Lett. 9, 346 (29)

9 Puissance Laser Projet : 3-Effet de l environnement sur les propriétés du graphène Les propriétés du graphène sont extrêmement sensibles à son environnement La diffusion Raman (et l absorption IR) permettent d étudier en détail ces effets Graphène déposé sur un substrat hydrophile G-shift 2D shift Largeur A 2D /A G Experiment chronology Photo-dopage réversible Dopé n 1.5 mw neutre.5-.6 mw Dopé p mw A. Tiberj et al., soumis (213)

10 Projet : 3-Effet de l environnement sur les propriétés du graphène Constat: Forte implication des effets de l environnement dans les propriétés électroniques dans le transport électronique dans la fonctionnalisation (réactivité) P. Levesque et al., Nano Lett.11, 132 (211) Questions ouvertes pour lesquelles les spectroscopies optiques sont pertinentes Interaction et interface graphène-substrat pour tous modes de fabrication du graphène Epitaxial graphene on SiC Buffer layer on Si face Rôle de l atmosphère chimie de surface

11 Projet : 4-Interactions entre le graphène et des nanoparticules Transfert d énergie et / ou de charges Nanostructures semi conductrices Nanoparticules métalliques V G Grille Drain Quantum Dot Laser Ion gel Source Quartz Graphene V SD E laser graphene QD E lum Graphene Processus de relaxation électronique Z. Chen, S. Berciaud et al. ACS Nano 4, 2964 (21) Expériences de spectroscopies résolues en temps (ultra-rapides) Déclin de luminescence des nanoparticules semi conductrices (boites quantiques) Mesures de transmission différentielle Emission commandée par la grille

12 Spectroscopie THz (1/Ohm) Ondes plasma à RT pour émission et détection THZ Transistors à effet de champ à base de graphène Détecteurs THz très efficaces à RT 4x1 3x1 2x1 1x1 Photoresponse X (V) E E E Monolayer Graphene -1 5µ 3 Monolayer Graphene µ -1m Gate Voltage (V) L. Vacarelli et al., Nature Materials 11, 865 (212) Bio-capteurs Nano oxyde de graphène réduit absorbe dans le proche IR (nano-rgo: 2 nm) Spectroscopie d absorption et utilisation pour le marquage biologique de nano-rgo Dépendance avec leur taille des propriétés optiques des nano-rgo Réflexion autour du Flagship Graphène 18 avril X Axis (mm) 1 Gate Voltage (V) 1m 2.61E-4 7 Y Axis (mm) 5x1 3.E 8 Imagerie THz CNP 9 6x1 CNP Projet : 5-Imagerie à base de graphène

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