Propriétés optiques des matériaux à base de carbone sous champs magnétiques intenses

• Auteur / Autrice : Nicolas Ubrig
• Direction : Geert Rikken, Oliver Portugall
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Champs magnétiques intenses

Carbone

Mots clés libres

Graphène

Nanotubes de carbone

Spectroscopie optique

Champ magnétique intense

Magnetoscience

Résumé

La découverte des nanotubes de carbone, il y a maintenant une vingtaine d'années, a été un des moteurs de la recherche des nanotechnologies. Ces particules illustrent l'amalgame entre le monde macroscopique et le monde appelé nano. Cette discipline a également relancée la recherche sur le graphite et le carbone en général, qui atteint un nouveau sommet avec la découverte du graphène, une monocouche de graphite. Rapidement la physique des nanotubes et du graphène ont suscité l'intérêt d'être étudié sous champ magnétique avec la découverte de l'effet Aharonov-Bohm dans les nanotubes ou l'effet hall quantique dans le graphène. Cette thèse a pour but d'approfondir la connaissance des propriétés optiques des nanotubes, du graphène et du graphite sous champ magnétique intense. Pour cela nous nous interesserons dans un premier temps à la problématique des excitons sombres. Nous étudierons ensuite les propriétés magnétiques et dynamiques des tubes. La famille métallique est paramagnétique le long de son axe et diamagnétique perpendiculaire à celui-ci. La famille semiconductrice est diamagnétique par rapport à ces deux orientations mais la valeur perpendiculaire est plus élevée. De ce fait tous les nanotubes vont s'aligner parallèlement à un champ magnétique appliqué. Nous utiliserons des méthodes de spectroscopie optique pour étudier ce phénomène. La deuxième partie de la thèse consistera à examiner les propriétés optiques du graphène et du graphite et plus précisément les transitions entre niveaux de Landau sous champs intenses. La particularité du graphène est que ses porteurs de charge se comportent comme des particules relativistes avec une masse nulle. Les niveaux de Landau se trouvent modifiés avec une dépendance en racine du champ magnétique, par rapport aux systèmes deux dimensionels classiques, où l'on retrouve une dépendance linéaire comme pour l'électron libre par exemple. Ceci nous entrainera également à reéxaminer les propriétés du graphite et d'approfondir les connaissances, notamment à champ très élevé, sur ce matériau à priori bien connu et étudié dans le passé.

Carbon nanotubes are unique nano-objects with highly anisotropic electrical, magnetic and optical properties. In the past years the physics of carbon nanotubes made important steps toward the comprehension of its various complex physical properties. The optical response of nanotubes is driven by excitons. Of the sixteen possible exciton states only one decays radiatively. However a magnetic field can brighten one of the dark states. The aim of the first part of this thesis investigates the issue of the brightening of dark excitons. In the second part we use the magnetic properties of single walled carbon nanotubes to investigate their dynamic alignment in a pulsed magnetic field. Semiconducting tubes are diamagnetic both along and perpendicular to their long axis but the magnitude of the perpendicular susceptibility is higher. Metallic tubes are paramagnetic along their long axis and diamagnetic perpendicular to it. This constrains SWNT to align parallel to a magnetic field. Our data will be analysed with the aid of a theoretical model based on rotational diffusion of rigid rods. In the third part we study the magneto-optical properties of epitaxially grown multi-layer graphene. The Landau levels of graphene are different from standard two dimensional electron gases. They show a sqrt{B}dependence due to the relativistic nature of their charge carriers. We measure the system at high fields and high energies to probe the limit of massless Dirac fermions. The discovery of massless relativistic particles in graphene, a mono-layer of graphite, has completely renewed the interest in graphite. As a matter of fact graphite the optical properties of graphite are best described by bi-layer graphene. We show that the magneto-transmission experiments on thin graphite are in very good agreement with an effective bi-layer model. In addition we observe a non-predicted double structure in the graphene-like transitions which is not reported before.