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Électroluminescence et radiation thermique dans les nanotubes de carbone

Élyse Adam

PhD thesis (2011)

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Cite this document: Adam, É. (2011). Électroluminescence et radiation thermique dans les nanotubes de carbone (PhD thesis, École Polytechnique de Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/730/
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Abstract

L’émission de lumière à partir de nanotubes de carbone excités électriquement a été reportée pour la première fois par le groupe d’IBM il y a maintenant 8 ans. Ces expériences ont été réalisées sur des transistors ambipolaires à base de nanotubes de carbone individuels (ou un petit fagot) recouverts d’un oxyde. Dans le cadre de ces premiers travaux, l’origine de l’émission de lumière fut attribuée au mécanisme d’électroluminescence basé sur la recombinaison excitonique d’électrons et de trous injectés à partir des contacts. Suite à ces travaux initiaux, d’autres groupes ont commencé à étudier l’émission de lumière de dispositifs à base de nanotubes et ont observé des propriétés similaires. Cependant, la lumière observée fut attribuée dans certains cas à de l’électroluminescence par impact ou simplement à de la radiation thermique pompée par effets Joule. Ainsi, différents mécanismes ont été proposés dans la littérature pour expliquer l’émission de lumière à partir de dispositifs à base de nanotubes de carbone. À ce jour, il n’y a toujours pas de consensus clair sur le mécanisme qui domine l’émission de sorte que plusieurs questions restent ouvertes en lien avec l’électroluminescence et la radiation thermique dans les nanotubes. L’objet principal de cette thèse est de réaliser une étude spectroscopique dans le proche infrarouge sur différents dispositifs faits de nanotubes de carbone dans le but de clarifier les mécanismes d’émission. Le montage expérimental mis au point pour les mesures spectroscopiques est constitué du spectromètre infrarouge de Montréal (SIMON). Ce spectromètre a initialement été conçu pour l’astronomie d’où le besoin d’adapter SIMON à une station sous pointes artisanale pour les mesures à l’air et à un cryostat compact pour les mesures spectrales sous vide. Ce montage est unique, car il permet la détection de spectres (détecteur HgCdTe) dans le proche infrarouge de sources ponctuelles sur une large gamme d’énergie ( 0.5 to 1.3 eV). De plus, tous les composants du montage sont refroidis à l’azote liquide dans le but de minimiser le bruit thermique. Nous avons investi un temps considérable à calibrer ce montage à partir d’une source corps noir commerciale. La stratégie préconisée est de mettre au point deux types de dispositifs macroscopiques à base de nanotubes de carbone qui ont différentes trajectoires de thermalisation. Le premier favorise une émission purement thermique tandis que l’autre est optimisé pour permettre une émission dominée par l’électroluminescence par injection ou par impact. Une étude spectroscopique sur ces deux types de dispositifs macroscopiques a permis d’identifier la signature spectrale propre à l’électroluminescence et celle propre à la radiation thermique. Cette étude inclut aussi l’étude de dispositifs faite à partir de différentes sources de nanotubes de carbone. Cette thèse se divise en deux parties. Dans la première partie, nous avons réalisé des mesures spectrales sur deux types de dispositifs macroscopiques dans le but de clarifier la----------Anstract Light emission from electrically excited carbon nanotubes has been reported for the first time 8 years ago by the IBM group using ambipolar field-effect transistors (FETs) made of individual or small bundle of nanotubes embedded in an oxide. The origin of this light emission was ascribed to an electroluminescence mechanism involving an excitonic recombination of injected electrons and holes from the contacts. Other works followed up on other nanotube FETs and provided similar emission properties, but the emission was ascribed to electroluminescence from excitons generated by impact excitation or simply due to thermal radiation from joule heating. Thus, different mechanisms at the origin of the light emission in carbon nanotube FET have been proposed. At the moment, the mechanism that dominates the emission is still unclear and the questions around the electroluminescence or thermal radiation properties of the devices are widely opened. We present here a spectroscopic study of the light emission properties of different nanotube devices with the aim to clarify the different mechanisms leading to the light emission. The experimental setup used for the acquisition of the spectra is the Spectrometer Infrared of Montreal (SIMON). This spectrometer was initially designed for astronomy and work was required to adapt SIMON with a homemade probe station operating in air or in a cryostat. This setup assembled in this thesis is unique because it allows to detect using a HgCdTe detector the near-infrared spectra of point-like sources in a wide energy range ( 0.5 to 1.3 eV). All components of SIMON are cooled down with liquid nitrogen to minimize the thermal noise. Our work also includes a full calibration of the spectrometer using a commercial blackbody source. The strategy is based on the design of two types of macroscopic devices for which different thermalization paths are favored. The first aims to provide a pure thermal source, whereas the second was kept at room temperature and used to optimize the conditions leading to electroluminescence by injection from the contacts or by impact. By performing spectroscopic studies on those structures in the near-infrared, this strategy allowed us to distinguish the different regimes when electroluminescence or thermal emission dominates for different types of carbon nanotube devices. Last, the study is extended to include different sources of nanotubes. The experiments are composed of two parts. The first was to perform spectral measurements on two macroscopic types of devices in order to identify the spectral signature of electroluminescence and the spectral signature of thermal radiation. We demonstrated using the emission spectra that network CNFETs (measured in air) are pure electroluminescence sources, while thick suspended film of carbon nanotubes are pure thermal sources. In the

Open Access document in PolyPublie
Department: Département de génie physique
Dissertation/thesis director: David Ménard and Richard Martel
Date Deposited: 17 Feb 2012 15:21
Last Modified: 24 Oct 2018 16:10
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/730/

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