Présentation

Dans cette thématique, nos travaux vise à élaborer des nano-systèmes hybrides (par exemple, molécules photo-actives confinées dans le canal de SWCNT) avec de nouvelles propriétés physiques. Un défi majeur consiste ici en la compréhension, la maîtrise et la modification contrôlée des propriétés optiques et électroniques de ces systèmes. Des paramètres clés tels que le diamètre et le caractère métallique ou semi-conducteur du nanotube, ainsi que le caractère donneur ou accepteur d’électrons des molécules confinées, sont d’une importance cruciale pour moduler les propriétés de ces nanosystèmes hybrides.

Nous cherchons plus particulièrement à comprendre les interactions physiques entre les molécules encapsulées et la paroi du nanotube, ainsi que les phénomènes optiquement activés qui en résultent. Différentes molécules donneuses (thiophène oligomères-4T) et acceptrices (tétracyanoquinodiméthane-TCNQ) linéaires ont été étudiées dans notre équipe. Des molécules de forme carrée (phtalocyanine-MPc) présentant un coefficient d’extinction remarquablement élevé dans la région 650-720 nm ont aussi été étudiées.
Nos principaux résultats sont présentés ci-dessous :
* Nos études ont permis de déterminer l’organisation supramoléculaire des molécules de colorants à l’intérieur des SWCNT, un pas important vers l’établissement des relations entre structure et propriétés. Pour le MPc, nous avons mis en évidence une organisation 1D de longue portée, le long de l’axe du NT [1], alors que pour le 4T, l’organisation supramoléculaires dépend de la taille du nanoconteneur [2].
* En utilisant la sensibilité au couplage électron-phonon de la bande G en spectroscopie Raman, nous avons quantifié comment le transfert de charge des 4T vers les SWCNTs est modulé par le diamètre du nanoconteneur et son caractère métallique ou semi-conducteur. Il a été démontré que ce transfert de charge restaure le couplage électron-phonon dans les nanotubes métalliques défectueux. Pour un tube de diamètre inférieur au nanomètre, un transfert d’électrons activé optiquement est observé lorsque l’énergie d’excitation correspond à la transition HOMO-LUMO de l’oligothiophène confiné. Par conséquent, l’encapsulation par le 4T conduit à un déplacement significatif du niveau de Fermi du nanotube, modulant les propriétés électroniques du système hybride.
* Le confinement du donneur d’électrons 4T (respectivement, de l’accepteur d’électrons TCNQ) dans des tubes de diamètre inférieur au nanomètre entraîne un décalage vers le rouge (décalage vers le bleu) de l’énergie d’absorption optique et une augmentation (diminution) des intensités de photoluminescence, comme le montrent les cartes d’excitation de photoluminescence. Ces comportements sont cohérents avec un décalage de niveau de Fermi, permettant de moduler l’efficacité de photoluminescence.

Actuellement, nous visons à une étude fondamentale à l’échelle des nano-objets individuels des propriétés optoélectroniques de nouveaux systèmes hybrides constitués de colorants confinés à l’intérieur de SWCNTs semi-conducteurs. Ces systèmes fournissent un système modèle pour étudier les phénomènes physiques de confinement des colorants à l’intérieur d’un nanocanal 1D.
Nous nous concentrons particulièrement sur la compréhension de la structure électronique du système hybride afin d’explorer et de contrôler leurs propriétés optoélectroniques. Nous visons notamment à contrôler la transduction optoélectronique dans ces systèmes, soit par injection de charge dans le SWCNT pour l’émission de lumière du colorant, soit par absorption optique par le colorant pour la lecture électronique par le SWCNT.

Bibliographie

[1] J. Phys. Chem. 119, 5203−5210 (2015)
[2] J. Nanoelectron. Optoelectron. 8, 28-35 (2013)