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
Réflexion autour du Flagship Graphène, 18 avril 2013
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
Réflexion autour du Flagship Graphène, 18 avril 2013
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)
Réflexion autour du Flagship Graphène, 18 avril 2013
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
Réflexion autour du Flagship Graphène, 18 avril 2013
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
Réflexion autour du Flagship Graphène, 18 avril 2013
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)
Réflexion autour du Flagship Graphène, 18 avril 2013
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
Réflexion autour du Flagship Graphène, 18 avril 2013
Epitaxial graphene on SiC
Buffer layer on Si face
P. Levesque et al., Nano Lett.11, 132 (2011)
Réflexion autour du Flagship Graphène, 18 avril 2013
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)