Spectroscopic and technological studies of carbon-nanotube-based structures for photonics applications

par Qingyuan Gu

Thèse de doctorat en Physique - Optoélectronique

Sous la direction de Hervé Folliot.

Le président du jury était Alain Pénicaud.

Le jury était composé de Hervé Folliot, Alain Pénicaud, Serge Lefrant, Julien Barjon, Yann Leroux, Maud, Fabiola Gicquel-Guezo.

Les rapporteurs étaient Serge Lefrant, Julien Barjon.

  • Titre traduit

    Etudes spectroscopiques et technologiques de structures à base de nanotube de carbone pour les applications de la photonique


  • Résumé

    Cette thèse est consacrée à l’étude du dépôt uniforme et de l’alignement à haute densité en nanotubes de carbone monoparois (NTCMP) sur différents substrats, à l’analyse qualitative des propriétés optiques excitoniques et aux modes de vibration des échantillons à NTCMP, et à la fabrication de guides d’onde optiques à base de NTCMP, en vue de composants photoniques pour les télécoms, autour de 1550 nm. Deux types de NTCMP ont été étudiés durant cette thèse : des NTCMP « HiPCO » (« high pressure carbon monoxide ») issus de la décomposition du monoxyde de carbone à haute pression, et des NTCMP « LV » (« laser vaporization ») provenant de l’ablation laser d’une cible en graphite. Plusieurs méthodes de dépôt de ces NTCMP ont été développées, telles que la méthode de dépôt assistée-par-tube, la méthode de dépôt en sillon, la méthode par pulvérisation, la méthode par centrifugation à grande vitesse, la méthode optimisée par centrifugation à vitesse réduite (MOCVR) et la méthode à jet d’encre. La qualité, l’épaisseur et l’uniformité des films de NTCMP sont caractérisées par observations au microscope électronique à balayage (MEB). Il est montré ici que l’uniformité des films à base de NTCMP HiPCO dépend fortement de la concentration en surfactants de la dispersion à base de NTCMP déposée. Des films uniformes de NTCMP LV ont été obtenus par la MOCVR et leur épaisseur couvre une gamme de 600nm à 900nm (avec une erreur <10%), qui dépend de la nature du substrat. L’alignement par diélectrophorèse (DEP) de NTCMP HiPCO et LV a été développé et optimisé. Ainsi, une nouvelle méthode (DEP « assistée-parchauffage ») est proposée afin d’obtenir un alignement à très haute densité en NTCMP. Cette méthode d’alignement par DEP assistée-par-chauffage a fait l’objet de travaux de simulation pour comprendre l’effet de la température. Les propriétés optiques excitoniques et les modes de vibration des NTCMP en solution et en film sur substrat ont été caractérisés par spectroscopies d’absorption, de photoluminescence (PL), d’excitation de la PL et Raman. Les niveaux de défauts et d’isolement des NTCMP HiPCO, les distributions en diamètre et en chiralité, les cartographies de l’uniformité et de l’épaisseur des films à base de NTCMP, et l’effet du laser à forte puissance, ont été qualitativement étudiés par spectroscopie Raman. Le rendement quantique interne en PL de NTCMP HiPCO en film est estimée à une valeur de 5%. Le transfert d’exciton entre NTCMP HiPCO individualisés, le rôle du polymère environnant sur les propriétés excitoniques des NTCMP LV, et les excitons sombres sont discutés dans cette thèse. Le design et la fabrication de guides optiques hybrides à une dimension, contenant une ou trois couches de NTCMP HiPCO, et de guides optiques à deux dimensions à base de NTCMP LV ont été menés. Les étapes de fabrication des guides optiques sont ici examinées en détails. La propagation à 1550nm de ces guides d’onde à base de NTCMP est observée. La propagation de la lumière dans les guides d’onde à base de NTCMP LV est une caractéristique préliminaire pour toute cavité optique et confère un fort potentiel aux NTCMP LV pour les composants photoniques de la future génération.


  • Résumé

    This thesis concentrates on the uniform deposition and highdensity alignment of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) on various substrates, the qualitative analysis of optical and excitonic properties, as well as vibrational modes of SWCNTbased samples by absorption, photoluminescence (PL) and Raman spectroscopies, and the fabrication of SWCNT-based optical waveguides towards photonics devices in the 1.55μm telecom window. Two types of SWCNT were studied during this thesis: “HiPCO” SWCNT from high pressure carbon monoxide conversion process (HiPCO) and “LV” SWCNT from catalytic growth of SWCNT assisted by laser vaporization (LV) of graphite. Several methods for the deposition of these SWCNTs were investigated and performed, including tube-assisted deposition method, groove deposition method, spraying method, high-speed spin coating method, improved low-speed spin coating method (ILSSCM) and inkjet printing method. The quality, thickness and uniformity of SWCNT films are characterized by scanning electron microscopy (SEM). The uniformity of HiPCO SWCNT-based film is shown to depend strongly on the surfactants concentration in deposited SWCNTbased dispersion. Uniform LV SWCNTbased films using ILSSCM were obtained with thicknesses ranging from 600nm to 900nm (with thickness error <10%), depending on substrates nature. Alignment of HiPCO and LV- SWCNTs using a dielectrophoresis method, combining microtechnological processes and SEM observations, is investigated and optimized. Thus, a new method (“heating-enhanced DEP”) for ultra-high alignment density of HiPCO SWCNTs is proposed. The effect of temperature in this heating-enhanced DEP process is further explained by simulation works. Optical and excitonic properties, vibrational modes of SWCNT solutions and films are characterized by absorption, PL and PL excitation, Raman spectroscopies. The defects and the isolation levels of HiPCO SWCNT, the chirality- and diameterdistributions of SWCNT, the uniformity and the thickness mapping of SWCNT-based films, and the effect of high energy laser are qualitatively analyzed by Raman spectra. We estimated the PL quantum efficiency value of HiPCO SWCNT film of around 5%. The exciton energy transfer between individualized HiPCO SWCNTs, the role of polymer environment on excitonic properties of LV SWCNTs, and the dark excitons are discussed in this thesis. One-layer and three-layers of HiPCO SWCNT-based onedimensional slab optical waveguides of hybrid core structures, and LV SWCNT-based twodimensional optical waveguides are designed and fabricated. The fabrication process steps of the optical waveguides are investigated in details. 1.55μm propagation in these SWCNT-based waveguides is highlighted. Single- or multi-mode emissions around 1.5μm and 1.6μm are observed in LV SWCNTbased optical waveguides. The light propagation in the LV SWCNT-based optical waveguide is the preliminary characteristic of an optical cavity, which confers great potential for future generation LV SWCNT-based photonics devices.

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