Nanosystèmes graphitiques : cavités optiques ajustables et détection spectrale des contraintes dans un nanorésonateur mécanique

par Antoine Reserbat-Plantey

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Vincent Bouchiat.

Soutenue le 22-11-2012

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Symhbad (équipe de recherche) .

Le président du jury était Joël Chevrier.

Le jury était composé de Vincent Bouchiat, Stephane Berciaud, Adrian Bachtold, Denis Basko, Nedjma Bendiab.

Les rapporteurs étaient Philippe Poncharal, Christophe Voisin.


  • Résumé

    Le graphène et les nanotubes de carbone, assimilés à des nano-systèmes graphitiques, partagent des propriétés mécaniques, optiques, électroniques et vibrationnelles uniques. Associant faible masse, grande rigidité et comportement semi-transparent, des membranes de 10 à 100 couches de graphène ont été suspendues au dessus d'un substrat réfléchissant, formant ainsi un résonateur mécanique couplé à une cavité optique. Le projet de cette thèse repose sur les diffusions élastiques et inélastiques de la lumière pour sonder les contraintes mécaniques et les effets thermiques dans ces nano-systèmes graphitiques. Ce type de mesure repose sur la spectroscopie Raman, sensible aux phonons optiques du matériau sondé. Un premier aspect du présent projet de thèse porte sur l'utilisation de cavités optiques à base de graphène comme élément de base pour constituer un système hybride. Après avoir déposé une couche de molécules à la surface de ces membranes, nous avons montré que le signal Raman des molécules est exalté par un effet d'interférences optiques constructives. Nous avons mis en évidence la possibilité de moduler ce signal en se déplaçant le long de l'échantillon, ou en variant la position de la membrane à l'aide d'une actuation électrostatique. De plus, on peut observer des effets thermiques importants associés aux phénomènes d'interférences optiques dans ces membranes à base de graphène. Le second axe de cette thèse est la détection du mouvement et des contraintes mécaniques dans un résonateur graphitique (membranes de graphène multicouche, nanotubes, etc.). Au travers d'expériences menées sur des membranes suspendues de graphène multicouche, nous avons détecté la résonance mécanique de deux façons : en analysant la modulation de la lumière réfléchie et en mesurant les variations de la réponse Raman du résonateur. Cette détection, reposant sur l'augmentation des contraintes mécaniques à résonance, associe le mouvement mécanique du résonateur à un décalage en énergie des photons Raman et représente un schéma original de couplage optomécanique.

  • Titre traduit

    Graphitic nanosystems : tunables optical cavities and spectral stress detection within a mechanical nanoresonator


  • Résumé

    Graphitic nano systems, such as graphene or carbon nanotubes, share unique mechanical, optical, electrical and vibrational properties. Combining low mass, high rigidity and semi-transparent behavior, membranes made of 10 to 100 graphene layers have been suspended over a reflecting substrate. This results in a nanomechanical resonator coupled to an optical cavity. This Phd project is based on elastic and inelastic scattering of light in order to probe mechanical stress and thermal effects within graphitic nano systems. This type of measurement is made by Raman spectroscopy which is sensitive to optical phonons. A first part of this Phd project is about using graphene based optical cavities as a constitutive blocks to make a hybrid system. We have shown interferential enhancement of Raman signal of molecules grafted on the membrane surface. We have also demonstrated the possibility to tune this molecular Raman signal by moving along the suspended membrane, or by changing the membrane position using electrostatic actuation. Moreover, we have observed important thermal effects associated to optical interferences within these graphene based cantilevers. A second part of this Phd project is the detection of motion and mechanical stress within a graphitic nano resonator. Through experiments on suspended multilayer graphene membranes, we have detected the mechanical resonance by two different means : by analyzing the reflected light modulation, and by measuring the variations of the Raman signal of the resonator. This spectral detection, based on the increase of the mechanical stress at resonance, couples the mechanical motion of the resonator to a shift in energy of the Raman scattered photons. This represents an original scheme for optomechanical coupling.


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