Optical spectroscopy of Graphene Quantum Dots

Spectroscopie optique de boîtes quantiques de graphène

• Auteur / Autrice : Thomas Liu
• Direction : Jean-Sébastien Lauret, Loïc Rondin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 03/03/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Lumière, matière et interfaces (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2020-...)
• Partenaire(s) de recherche : référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Michel Orrit
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nedjma Bendiab, Guillaume Schull, Elizabeth Boer-Duchemin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nedjma Bendiab, Guillaume Schull

Mots clés

Mots clés contrôlés

Molécule unique

Spectroscopie

Boîtes quantiques

Mots clés libres

Graphenoïde

Boîte quantique

Spectroscopie

Spectroscopy

Nanographene

Quantum dots

Résumé

Les boîtes quantiques de graphène (abrégé GQD en anglais) sont des nano-objets composés d'une centaine d'atomes de carbone. Ces atomes peuvent être disposés selon diverses géométries conduisant à un large éventail de propriétés. Leur taille intermédiaire entre petites molécules et solides en fait une plateforme idéale pour tester les prédictions théoriques, à la fois de la chimie quantique et de la physique de la matière condensée. Cependant, bénéficier pleinement des potentialités offertes par l'accordabilité des propriétés des GQDs nécessite de pouvoir rigoureusement relier leur géométrie aux propriétés électroniques qui en découlent. Dans cette optique, une étude approfondie des propriétés intrinsèques de ces objets a été réalisée dans le cadre de cette thèse. Ce travail a été mené en couplant des études spectroscopiques, en solution et à l'échelle de l'objet individuel, à des simulations théoriques.L'étude d'une boîte quantique de graphène à symétrie triangulaire (C96C12) a permis de mettre en avant l'effet d'agrégation en solution, et de comparer les observations aux prédictions théoriques. Les résultats à l'échelle de l'objet unique ont également pu être confrontés à la théorie avec succès, menant par ailleurs à une caractérisation des impuretés fluorescentes observables dans les expériences de spectroscopie d'objets uniques, des résultats non directement liés aux GQDs, mais qui représentent un apport nécessaire à leur utilisation à l'échelle de l'objet unique. Enfin, l'étude d'une classe de GQD présentant une forme allongée a permis de sonder l'effet de la symétrie et de la taille sur les propriétés optiques de ces objets et, notamment grâce à l'homogénéité remarquable de leurs propriétés en échantillon, de proposer une nouvelle classe de GQD prometteuse pour les applications. Cette thèse a ainsi permis d'approfondir l'étude de ces objets, là où leur caractérisation se limite trop souvent à une étude sommaire en solution. Grâce à une compréhension accrue des propriétés de boîtes quantiques, elle ouvre ainsi la porte à l'utilisation des GQDs dans différentes applications, de l'optoélectronique au développement de capteurs, et à leur couplage avec différents matériaux, permettant encore d'étendre leur domaine d'applications.

Graphene quantum dots (GQDs) are nanoobjects made of hundreds of carbon atoms. These atoms can be arranged in various geometries leading to a wide range of properties. Their intermediate size between small molecules and solids makes them a perfect platform to test theoretical predictions both of quantum chemistry and condensed matter physics. However, accessing these potentialities offered by the tunability of the GQDs' properties requires a precise understanding of the dependence between geometry and electronic properties. To that extent, a thorough investigation of the intrinsic properties of these objects is developed in this thesis. This study coupled spectroscopicmeasurements, both in solution and at the single-object level, and theoretical calculations.The investigation of a GQD with triangular symmetry (C96C12) exhibited the formation of aggregates in solution, and lead to an extensive understanding of the experimental observations using theoretical calculations. Single-object results are also successfully verified with theory, and, additionally, lead to a thorough characterization of fluorescent impurities observable in single-object experiments, which represents an essential step to enable the manipulation of GQDs at the single-object level. Finally, the study of a newclass of rod-shaped GQDs enabled the investigation of the effect of symmetry and size on the optical properties, and demonstrated, thanks to the high homogeneity of their property, the potential of these new GQDs for applications.The results presented in this thesis provide an extensive view of the characterization of the properties of graphene quantum dots, which are usually only briefly characterized in solution. The deepened understanding gained by these studies represents a necessary and promising step towards the use of these objects for applications in optoelectronics or quantum sensing, for instance by coupling them with other materials.