Synthèse et propriétés de boîtes quantiques et de nanomeshes de graphène

Synthesis and properties of graphene quantum dots and nanomeshes

• Auteur / Autrice : Julien Lavie
• Direction : Stéphane Campidelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 08/10/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Nanosciences et innovation pour les matériaux, la biomédecine et l'énergie (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....) - Laboratoire Aimé Cotton (Orsay, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Alain Pénicaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Campidelli, Alain Pénicaud, Stéphanie Legoupy, Jean Weiss, Jean-Sébastien Lauret, Vincent Huc
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphanie Legoupy, Jean Weiss

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photoluminescence

Synthèse organique

Nanoparticules organiques fluorescentes

Graphène

Mots clés libres

Nanoparticule de graphène

Synthèse organique

Photoluminescence

Graphene nanoparticles

Organic synthesis

Photoluminescence

Résumé

La modification des propriétés du graphène, notamment l’ouverture d’une bande interdite par la nanostructuration, est un véritable enjeu pour la physique et pour les applications du graphène. La nanostructuration peut se faire suivant l’approche « top-down » ou « bottom-up ». Au cours de cette thèse nous nous sommes intéressés à la seconde approche. L’approche « bottom-up » permet de contrôler à l’atome près la structure des matériaux. L’objectif de cette thèse est de fabriquer par synthèse chimique des boites quantiques de graphène et des motifs graphéniques contenant un réseau périodique de trous (nanomesh) et d’en étudier les propriétés physiques. Dans une première partie, une « famille » de nanoparticules de graphène a été préparée par synthèse organique via des réactions de Diels-Alder et de Scholl et les propriétés optiques ont été étudiées sur des solutions et à l’échelle de la molécule unique. Dans une deuxième partie, un nouveau type de structures graphéniques intermédiaires entre les boites quantiques et les nanorubans, des nano-bâtonnets de graphène (nanorods) ont été synthétisés. Enfin, plusieurs précurseurs ont été synthétisés pour la réalisation de nanomeshs de graphène. Ces précurseurs permettront d’obtenir, en utilisant le dépôt chimique en phase vapeur dans la chambre d’un microscope à effet tunnel, des nanomesh de graphène présentant des structures différentes.

The manipulation of the electronic properties of graphene, and in particular the bandgap opening by nano-patterning, is a crucial issue for both physics and applications. The nanostructuration can be done either through the top-down approach or the bottom-up approach. This bottom-up approach allows controlling at the atomic level the structure of the materials. The aim of this thesis is to prepare graphene quantum dots and graphene nanomeshes (regular arrays of holes in a graphene sheet) by chemical synthesis, and to study their physical properties. In the first part, a “family” of graphene quantum dots was prepared with organic chemistry via Diels-Alder and Scholl reactions and the optical properties were studied both in solution and at the single molecule scale. In the second part, a new type of graphenic structures intermediate between quantum dots and nanoribbons were synthesized and we named them “graphene nanorods”. These objects are one dimensional but have a controlled length compared to nanoribbons prepared via polymerization. Finally, various precursors were synthesized to create graphene nanomeshes. These precursors will allow the formation, using chemical vapor deposition in a scanning tunneling microscope chamber, of nanomeshes exhibiting different structures and morphology.