Journée de réflexion autour du Flagship Graphène

18 Avril 2013

Réflexion autour du Flagship Graphène, 18 avril 2013

Activités et projets

Spectroscopies optiques

Propriétés opto-électroniques

Réflexion autour du Flagship Graphène, 18 avril 2013

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

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

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

….et autres groupes

Réflexion autour du Flagship Graphène, 18 avril 2013

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

Développement de spectromètres aux performances souvent uniques et de protocoles expérimentaux originaux qui sont complètement adaptés à l’étude du graphène

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

Couplage avec la théorie

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Propriétés intrinsèques

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

Electron

Laser

Diffraction d’un tube (n,m)

Savoir-faire dans l’étude des propriétés optiques des nanotubes de carbone

PL

Elasticallyscattered light Spectrometer

1.8 2.2 2.6

S33

Photon Energy (eV)

Rayle

igh

In

tensity

S44

Continuum Laser Broadband

Rayleigh Spectroscopy

Spectrometer

Single mode Laser

1500 1550 1600

120 170

G+G-

R

am

an

In

ten

sity

Raman Shift (cm-1)

RBM

Raman Spectroscopy

(RBM and G mode)

Inelasticallyscattered light

a) b)

FreestandingSWNT

c) d)

Energies de transition Phonons

Diffusion Rayleigh Diffusion Raman

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Propriétés intrinsèques

Expertise des équipes sur les études des excitations électroniques par des techniques de spectroscopie optiques.

Savoir-faire dans l’étude des propriétés optiques des nanotubes de carbone

1.05 1.10

-5

0

T

/T (

x10

-4)

Photon Energy (eV)

900 ps

200 ps

50 ps

12 ps

-0.1 ps

1200 1150 1100

Wavelength (nm)

absorption induite par un trion tube (6,5)

Absorption

Photoluminenscence

Expériences pompe-sonde

Spectroscopie THz

Problèmes abordés: Dynamique des Excitons Création et physique

Bi exciton

Trions

absorption induite par un bi exciton

tube (9,7)

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Savoir-faire des équipes françaises Etudes par diffusion Raman 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

Dopage électrostatique, Couplage avec transport électrochimique, transfert de charge forts taux de dopage Contraintes et déformations 1D et 2D Propriétés thermiques

Couplage avec des mesures de transmission / réflexion

G (

cm

-1)

Electron concentration (1013

cm-2)

0 5 10 15

0

5

10

15

20

25

30

SiO2

Gate

1µm

SiC Photodiode

Piezo stage

graphene

Transmission

laser beam

objective

Raman-Reflectivity

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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

Fréquence Largeur

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

Effet du dopage

Effet de l’atmosphère

Projet : 2-Propriétés opto-électroniques intrinsèques du graphène suspendu

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Questions ouvertes: Comprendre les processus de diffusion, d’émission, d’absorption Couplage électron-phonon et électron-électron

Le couplage avec la théorie est essentiel

Source Drain

VBG

Si

SiO2VSD

RamanFilter

To Spectrometer

Laser

Spectromètre

S. Berciaud et al., Nano Lett. 9, 346 (2009)

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A. Tiberj et al., soumis (2013)

Graphène déposé sur un substrat hydrophile

Exp

erim

en

t ch

ron

olo

gy

G-shift

Largeur

A2D/AG

2D shift

Photo-dopage réversible

Dopé n 1.5 mW

neutre 0.5-0.6 mW

Dopé p 0 mW

Pu

iss

an

ce

La

se

r

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

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) Questions ouvertes pour lesquelles les spectroscopies optiques sont pertinentes Interaction et interface graphène-substrat pour tous modes de fabrication du graphène

Rôle de l’atmosphère chimie de surface

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Epitaxial graphene on SiC

Buffer layer on Si face

P. Levesque et al., Nano Lett.11, 132 (2011)

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Projet : 4-Interactions entre le graphène et des nanoparticules

Transfert d’énergie et / ou de charges

Graphene

Elaser Elum

QD

graphene

Quartz

Ion gel VG

Grille

Drain VSD Source

Laser

Quantum Dot Graphene

Nanostructures semi conductrices Nanoparticules métalliques

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

Processus de relaxation électronique Z. Chen, S. Berciaud et al. ACS Nano 4, 2964 (2010)

Réflexion autour du Flagship Graphène 18 avril 2013

Projet : 5-Imagerie à base de graphène

Spectroscopie THz

Ondes plasma à RT pour émission et détection THZ

Transistors à effet de champ à base de graphène Détecteurs THz très efficaces à RT

Bio-capteurs

Nano oxyde de graphène réduit absorbe dans le proche IR (nano-RGO: 20 nm)

Spectroscopie d’absorption et utilisation pour le marquage biologique de nano-RGO

Dépendance avec leur taille des propriétés optiques des nano-RGO

Imagerie THz

0 10 20 30 40 50 600

10

20

30

40

50

60

70

80

90

X Axis (mm)

Y A

xis

(m

m)

3.00E-5

2.61E-4

4.92E-4

7.22E-4

9.53E-4

0.00118

0.00141

0.00155

-1 0 1 2 31x10

-5

2x10-5

3x10-5

4x10-5

5x10-5

6x10-5

Monolayer

Graphene

(

1/O

hm

)

Gate Voltage (V)

CN

P

-1 0 1 2 3-1m

-500µ

0

500µ

1m

Ph

oto

resp

on

se

X (

V)

Gate Voltage (V)

Monolayer

GrapheneCN

P

L. Vacarelli et al., Nature Materials 11, 865 (2012)