Effets photothermoélectriques dans les films de nanotubes de carbone

Les réseaux de nanotubes de carbone représentent un matériau prometteur dont le potentiel a été pressenti pour une variété d'applications technologiques. Récemment, leurs perspectives en optoélectronique ont dû être repensées après qu'un rapport eut démontré que la photoconductivité de films suspendus de nanotubes était dominée par des mécanismes d'origine thermique (liés à un effet bolométrique). Cette observation contrastait diamétralement avec des interprétations précédentes, qui associaient, entre autres, la photoréponse à la dissociation d'un exciton causée par un champ électrique. De plus, elle laissait entrevoir un rôle potentiellement déterminant lié au chauffage radiatif pour ce type de systèmes. Cette thèse vise à explorer l'importance des effets d'un tel chauffage radiatif et de leurs intérêts dans un contexte thermoélectrique. Cette investigation mérite une attention particulière en raison du coefficient Seebeck élevé des nanotubes semi-conducteurs (pouvant atteindre plusieurs centaines de μV/K). En étudiant les effets photo-thermoélectriques présents dans des réseaux de nanotubes, notre travail permet de mieux comprendre l'interaction entre la lumière et ce système complexe, où les jonctions nanotube-nanotube jouent un rôle dominant. Dans notre démarche, une attention particulière a été accordée aux films suspendus, soit une configuration dans laquelle les effets de chauffage sont favorisés, afin d'évaluer le potentiel des nanotubes pour d'éventuelles applications. Dans la première partie de la thèse, la contribution d'origine thermique de la photoréponse d'un système thermoélectrique a été dérivée à partir d'un bilan d'énergie. En l'absence de courant électrique, cette contribution est apparue essentiellement liée à une modification de température, qui se calcule à l'aide de l'équation de Fourier. Cette équation a été résolue dans un cas particulier, soit celui d'un film de nanotubes suspendu entre deux électrodes massives. En posant certaines hypothèses, telles une convection et une radiation négligeables, une conductivité thermique et une absorption optique indépendantes du dopage, et une élévation de température relativement faible (≤ 20 K), nous avons montré qu'une illumination locale induisait un profil de température triangulaire. Or, pour un tel profil, une relation simple a été déduite reliant la dérivée du photovoltage par rapport à la position de l'illumination avec la valeur locale du coefficient Seebeck. Cette relation constitue un élément clé de cette thèse, puisqu'elle montre comment

Abstract

Carbon nanotube networks offer promising perspectives for a variety of technological applications, such as photovoltaic or light detection. Their potential in optoelectronic has been recently reconsidered after the recognition that thermal mechanisms (through a bolometric effect) were dominating the photoconductivity of free-standing nanotube films. This finding contrasted with previous reports for which the photoresponse stemmed from the dissociation of excitons due to an electric field. Moreover, it revealed that the effect of the radiative heating for such materials should not be neglected. This thesis aimed at exploring the significance of such heating and its interest in a thermoelectric perspective. This investigation deserved special attention because of the large Seebeck coefficients of semiconducting nanotubes (up to hundreds of μV/K). By studying the photo-thermoelectric effects arising in nanotube films, our work developed a better understanding of the interaction between a local illumination and the network, where the nanotube-nanotube junctions play a dominant role in transport. In our approach, a special attention was given to suspended films, a configuration that maximizes the radiative heating in order to assess the potential of carbon nanotubes in photo-thermoelectric applications. In the first part of the thesis, the thermal response of a material to a local illumination was modeled. In the absence of an electric current, photo-thermal effects should arise because of the non-uniform temperature profile, calculated using the Fourier equation. This equation was solved for the particular case of nanotube films suspended in vacuum between two massive electrodes. Under several assumptions, neglecting for instance the convection and radiation mechanisms, considering a thermal conductivity and an optical absorption independent of the doping level, and a relatively weak temperature rise (≤ 20 K), we found that a local illumination induces a triangular temperature profile. For such profile, a simple equation was obtained relating the photovoltage profile and the local Seebeck coefficient of the film. This relation represented an important finding, since it showed how a scanning photovoltage measurement can be used to