Synthèse et propriétés optiques de nanostructures de graphène

Synthesis and optical properties of graphene nanostructures

• Auteur / Autrice : Daniel Medina Lopez
• Direction : Stéphane Campidelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 13/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Nanosciences et innovation pour les matériaux, la biomédecine et l'énergie (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Anna Proust
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Kammerer, Pierre-Antoine Bouit, David Kreher, Valérie Marvaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claire Kammerer, Pierre-Antoine Bouit

Mots clés

Mots clés contrôlés

Graphène

Approche ascendante

Photoluminescence

Synthèse organique

Nanoparticules

Mots clés libres

Synthèse bottom-Up

Graphène

Nanoparticules

Nanographene

Nanomeshes

Photoluminescence

Nanoparticles

Graphene

Bottom-Up synthesis

Nanographene

Nanomeshes

Photoluminescence

Résumé

Au cours des dernières années, le graphène a suscité une attention considérable en raison de ses excellentes propriétés mécaniques, thermiques et électriques. Cependant, l'absence de gap électronique dans le graphène constitue une barrière pour des applications en optique et optoélectronique. Pour surmonter cette limitation, l'ouverture d'une bande interdite impliquant la nanostructuration du graphène a été développée au fil des années. Ce travail de thèse se concentre sur la synthèse « bottom-up » et les études optiques de deux matériaux graphéniques : les nanoparticules de graphène et les nanomeshes de graphène. Les nanoparticules de graphène ont tendance à s'agréger par des interactions π-π, ce qui limite l'étude de leurs propriétés optiques intrinsèques. Grâce à l'approche « bottom-up » il est possible de contrôler la taille, la forme et les bords des structures avec une précision atomique, permettant de concevoir des architectures spécifiques pour limiter le processus d'agrégation. La première partie de cette thèse est consacrée à la synthèse d'une famille de nanoparticules de graphène avec une forme allongée, qui, grâce à l'intégration de groupes fonctionnels volumineux dans leur structure, sont hautement solubles dans des solvants organiques. Cette solubilité améliore leur processabilité et a permis une description précise des propriétés photophysiques de ces nanoparticules en combinant des données expérimentales et théoriques. La deuxième partie explore deux méthodes pour augmenter la solubilité des nanoparticules. Soit en élargissant la stratégie employée dans la famille allongée, soit en brisant le caractère purement bidimensionnel des nanoparticules de graphène par la synthèse des structures hélicoïdales. La dernière section est consacrée à la synthèse de différents précurseurs organiques et à leur dépôt sur des surfaces métalliques afin de les assembler en nanomeshes de graphène.

In recent years, graphene has captured significant attention due to its excellent mechanical, thermal, and electrical properties. However, the absence of a bandgap in graphene constitutes a barrier for applications in optics and optoelectronics. To overcome this limitation, bandgap engineering involving the nano-structuration of graphene has been developed over the years. This thesis work focus on the bottom-up synthesis and optical studies of two nanostructured graphenic objects: graphene quantum dots (GQDs) and graphene nanomeshes (GNMs). The tendency of nanographene materials to aggregate via π-stacking interactions constitutes a limitation in the study of their intrinsic optical properties. Thanks to the bottom-up approach, it is possible to control the structure's size, shape, and edges with atomic precision, enabling the design of specific architectures to limit the aggregation process. The first part of this thesis is dedicated to the synthesis of a family of rod-shaped graphene nanoparticles that exhibit a high solubility thanks to the integration of bulky functional groups into their structure. Thanks to this enhanced solubility and processability, an accurate description of the photophysical properties of these GQDs, combining experimental and theoretical data, was possible. The second part explores on further increasing the solubility of GQDs by expanding the strategy employed in the rod-shaped family and by breaking the purely two-dimensional character of GQDs through twisted or helical structures. The last section is dedicated to the synthesis of different organic precursors and their deposition on metallic surfaces for their assembly into GNMs.