Etude des propriétés optiques des nanotubes de carbone
Résumé
This thesis deals with the linear and non-linear optical properties of single wall carbon nanotubes.
Optical absorption spectroscopy is used for the caracterization of nanotubes (mean diameter, diameter distribution) in different samples.
The observation of band gap photoluminescence requires specific steps in the sample preparation. In particular nanotubes need to be isolated in order to emit light. The combination of photoluminescence and excitation of photoluminescence experiments allows the determination of the nanotubes chiralities.
Ultrafast carrier dynamics in carbon nanotubes has been investigated. When nanotubes are aggregated in ropes, the dynamics is dominated by the tunnel coupling between metallic and semi-conducting nanotubes. The efficiency of this coupling explains the absence of photoluminescence signal on these kinds of samples. On the contrary, intra sub-band and inter-band relaxation times increase by one order of magnitude when nanotubes are isolated. Non-resonant time-resolved measurements give evidence for the $\pi$~-plasmon contribution to the nanotubes non-linear response. Furthermore, it allows the identification of the absorption background, on which the interband transition are superimposed, to the low energy tail of the $\pi$~plasmon resonance. Finally, the third order non-linear susceptibility of a 50 nm thick nanotube film deposite on a glass substrate is evaluated and compared to other classical materials for non-linear optics.
Optical absorption spectroscopy is used for the caracterization of nanotubes (mean diameter, diameter distribution) in different samples.
The observation of band gap photoluminescence requires specific steps in the sample preparation. In particular nanotubes need to be isolated in order to emit light. The combination of photoluminescence and excitation of photoluminescence experiments allows the determination of the nanotubes chiralities.
Ultrafast carrier dynamics in carbon nanotubes has been investigated. When nanotubes are aggregated in ropes, the dynamics is dominated by the tunnel coupling between metallic and semi-conducting nanotubes. The efficiency of this coupling explains the absence of photoluminescence signal on these kinds of samples. On the contrary, intra sub-band and inter-band relaxation times increase by one order of magnitude when nanotubes are isolated. Non-resonant time-resolved measurements give evidence for the $\pi$~-plasmon contribution to the nanotubes non-linear response. Furthermore, it allows the identification of the absorption background, on which the interband transition are superimposed, to the low energy tail of the $\pi$~plasmon resonance. Finally, the third order non-linear susceptibility of a 50 nm thick nanotube film deposite on a glass substrate is evaluated and compared to other classical materials for non-linear optics.
Cette thèse est consacrée à l'étude des propriétés optiques des nanotubes de carbone mono-paroi.
Dans un premier temps, la spectroscopie d'absorption a été utilisée comme un outil de caractérisation des différents échantillons. En effet, l'énergie de la transition entre la première paire de singularités de Van-Hove étant proportionnelle à l'inverse du diamètre, la spectroscopie d'absorption donne une mesure du diamètre moyen ainsi que de la largeur de la distribution en diamètre.
Nous avons étudié les conditions d'observation d'un signal de photoluminescence au niveau du gap des nanotubes semi-conducteurs. Pour observer ce signal, les nanotubes doivent être isolés, en les mettant convenablement en suspension par exemple. Les expériences de photoluminescence sélective en longueur d'onde ont montré que les structures observées dans les spectres peuvent être attribuées aux différentes chiralités présentes dans l'échantillon. Elles ont également permis d'évaluer la largeur homogène de la transition fondamentale (environ 20 meV). Enfin, la spectroscopie d'excitation de la photoluminescence a permis de déterminer la chiralité des différents nanotubes présents dans nos échantillons.
Dans un deuxième temps, la dynamique des porteurs de charge dans les nanotubes de carbone a été étudiée à l'aide d'expériences de type pompe-sonde. Cette étude réalisée sur des nanotubes déposés sur un substrat et agrégés en corde a montré l'existence d'un couplage tunnel entre les nanotubes semi-conducteurs et les nanotubes métalliques au sein d'une corde. L'existence de ce couplage ainsi que la brièveté des temps de relaxation (picoseconde) expliquent l'absence de signal de photoluminescence sur ce type d'échantillon. La comparaison faite avec les données obtenues sur les échantillons de nanotubes isolés montre une augmentation d'un ordre de grandeur des temps de relaxation, ce qui est en accord avec l'apparition d'un signal de photoluminescence observable sur ces échantillons. L'étude de la réponse non-linéaire hors résonance a mis en évidence la dynamique du plasmon de surface des nanotubes. Elle a également permis d'interpréter le fond d'absorption sur lequel sont superposées les raies dues aux transitions inter-bandes comme la queue basse énergie de la résonance plasmon de surface. Enfin, la susceptibilité non-linéaire d'ordre trois des nanotubes a pu être évaluée. La comparaison entre le facteur de mérite des nanotubes et celui d'autres matériaux étudiés en vue d'une application en optique non-linéaire a montré que les nanotubes de carbone semblent posséder des propriétés intéressantes pour ce type d'applications.
Dans un premier temps, la spectroscopie d'absorption a été utilisée comme un outil de caractérisation des différents échantillons. En effet, l'énergie de la transition entre la première paire de singularités de Van-Hove étant proportionnelle à l'inverse du diamètre, la spectroscopie d'absorption donne une mesure du diamètre moyen ainsi que de la largeur de la distribution en diamètre.
Nous avons étudié les conditions d'observation d'un signal de photoluminescence au niveau du gap des nanotubes semi-conducteurs. Pour observer ce signal, les nanotubes doivent être isolés, en les mettant convenablement en suspension par exemple. Les expériences de photoluminescence sélective en longueur d'onde ont montré que les structures observées dans les spectres peuvent être attribuées aux différentes chiralités présentes dans l'échantillon. Elles ont également permis d'évaluer la largeur homogène de la transition fondamentale (environ 20 meV). Enfin, la spectroscopie d'excitation de la photoluminescence a permis de déterminer la chiralité des différents nanotubes présents dans nos échantillons.
Dans un deuxième temps, la dynamique des porteurs de charge dans les nanotubes de carbone a été étudiée à l'aide d'expériences de type pompe-sonde. Cette étude réalisée sur des nanotubes déposés sur un substrat et agrégés en corde a montré l'existence d'un couplage tunnel entre les nanotubes semi-conducteurs et les nanotubes métalliques au sein d'une corde. L'existence de ce couplage ainsi que la brièveté des temps de relaxation (picoseconde) expliquent l'absence de signal de photoluminescence sur ce type d'échantillon. La comparaison faite avec les données obtenues sur les échantillons de nanotubes isolés montre une augmentation d'un ordre de grandeur des temps de relaxation, ce qui est en accord avec l'apparition d'un signal de photoluminescence observable sur ces échantillons. L'étude de la réponse non-linéaire hors résonance a mis en évidence la dynamique du plasmon de surface des nanotubes. Elle a également permis d'interpréter le fond d'absorption sur lequel sont superposées les raies dues aux transitions inter-bandes comme la queue basse énergie de la résonance plasmon de surface. Enfin, la susceptibilité non-linéaire d'ordre trois des nanotubes a pu être évaluée. La comparaison entre le facteur de mérite des nanotubes et celui d'autres matériaux étudiés en vue d'une application en optique non-linéaire a montré que les nanotubes de carbone semblent posséder des propriétés intéressantes pour ce type d'applications.