Identification des parois des nanotubes de carbon à double-parois par spectroscopie Raman

Ce mémoire porte sur la caractérisation optique des nanotubes de carbone à double-parois (DWNT). Afin de mieux comprendre les propriétés des DWNT, comme les interactions interparois,ceux-ci ont été étudiés à l'aide de la spectroscopie Raman et de la photoluminescence (PL). À cet effet, des montages ont été mis en place et les instruments ont été calibrés et testés. Il est démontré dans ce travail que la nature électronique des parois formant le DWNT peut être identifiée à l'aide de la spectroscopie Raman. Des parois métalliques (M) et semiconductrices (S) formant des DWNT de compositions M@S (M inclus dans S), S@S, S@M et M@M ont été étudiés. Ce mémoire présente comment identifier et caractériser optiquement ces divers espèces de DWNT. Afin de simplifier l'interprétation des résultats, les mesures ont été effectuées sur des DWNT uniques. En plus des propriétés M ou S, l'approche optique montre qu'il est aussi possible d'identifer la chiralité des parois. En pratique, seule la chiralité des parois résonantes à la fréquence d'excitation sont identifiables en PL et en Raman. Toutefois, notre étude montre qu'une fonctionnalisation chimique par réaction covalente est nécessaire pour confirmer que le nanotube étudié est un DWNT et non pas deux nanotubes mono-parois fagotés. Quatre raies Raman sont mesurées aux environ des phonons optiques (~1600 cm-1) sur des S@S et M@M isolés sur un substrat. La configuration de polarisation d'excitation de détection (Z;Z+X) confirme que ces raies correspondent aux modes A des phonons TO et LO des parois internes et externes du DWNT. Pour les DWNT comportant seulement une paroi semi-conductrice, des modes supplémentaires apparaissent. Ces modes normalement interdit dans la configuration (Z;Z + X), correspondant à la symétrie E2 de phonons transverses optiques. L'apparition de ces modes pour les DWNT mixtes suggère que certaines symétries sont brisées probablement par l'interaction inter-parois.

Abstract

This document focuses on the optical characterisation of double-walled carbon nanotubes (DWNT). To understand more deeply the properties of DWNT, the inter-wall interactions have been studied with Raman spectroscopy and photoluminescence (PL). For that, optical setups have been put in place and the instruments have been tested and calibrated. This work shows that the electronic nature or the walls of the DWNT can be identify by Raman spectroscopy. Metallic (M) and semi-conductor (S) walls making DWNT of composition M@S (M inside S), S@S, S@M and M@M have been studied. This document shows how to optically identify and characterise the DWNT species. To simplify the interpretation of the results, unique DWNT have been used. On top of the M and S property, the optical approach shows that it is also possible to identify the chirality of the walls. In practice, only the chiralities of the walls that are in resonance with the excitation frequency are identiable in Raman or PL. Our study shows that a chemical fonctionnalization with a covalent reaction is necessary to conrm that the studied nanotube is a DWNT and not two single-walls. Four Raman peaks have been measured around the optical phonons (~1600 cm-1) on some S@S et M@M isolated on a substrate. The excitation and detection polarisation conguration (Z;Z + X) conrm that the peaks correspond to the A modes of the TO and LO phonons from internal et external walls of the DWNT. For the DWNT with only one semi-conducting wall, extra modes appear. Those modes are normally prohibited in the (Z;Z + X) conguration and correspond to the E2 symmetry of the transverse optical phonons. The apparition of this mode for mixed DWNT suggests that some symmetry is broken from the inter-wall interaction.