NIMBE

Nanosciences et Innovation
pour les Matériaux
la Biomédecine
et l'Énergie

Dans ce projet nous considèrerons l’étude des propriétés optiques des dispositifs à nanotubes triés en chiralité. Ici, nous nous intéresserons à une réduction drastique de la distribution en chiralité pour étudier ensuite les caractéristiques des état excitoniques piégés.

Here will consider the study of the optical properties of chirality sorted nanotube devices. First, we will be interested in a drastic reduction of the distribution in chirality. Then, we will study the characteristics of the trapped excitonic states.

Les nanotubes de carbone mono-paroi présentent des propriétés électroniques remarquables, qui ont fait l’objet d’études intensives aussi bien en recherche fondamentale que pour leurs applications en nanoélectronique. Plus récemment, avec le développement d’une meilleure maitrise du matériau d’autres perspectives et champs d’applications se sont ouverts. C’est notamment le cas en optique et en optoélectronique où les nanotubes de carbone constituent un matériau de choix.

Plus spécifiquement, les nanotubes de carbone présentent des transitions optiques dont l’énergie varie en fonction de leur diamètre et de leur chiralité et qui se situent généralement dans le proche infrarouge [1, 2]. Cette caractéristique combinée à leurs propriétés électriques exceptionnelles fait que les dispositifs optoélectroniques à base de nanotubes de carbone suscitent beaucoup d’intérêt [3 - 5].

Dans ce projet nous considèrerons l’étude des propriétés optiques des dispositifs à nanotubes triés en chiralité [6-14]. Ici, nous comptons tout d’abord nous intéresser à une réduction drastique de la distribution en chiralité pour étudier ensuite l’influence et les caractéristiques des état excitoniques piégés par fonctionnalisation. En effet, la compréhension des propriétés optiques/optoélectroniques de ces systèmes est primordiale pour réaliser des dispositifs performants à température ambiante (par exemple des photo-détecteurs, LEDs performantes, sources de photon unique, etc.) et pour les intégrer et les utiliser dans une plateforme photonique silicium [15-18]. Ici, l’intégration dans une plateforme photonique sera faite en collaboration avec le C2N à Saclay et les propriétés optiques non-linéaires de ces systèmes seront étudiées à l’institut d’optique de Bordeaux.

Références :
[1] S. M. Bachilo et al. Science 298, 2361 (2002) ; [2] O’Connell M. J. et al., Science 297, 593 (2002) ;
[3] Freitag et al., NanoLetter 6, 1425 (2006) ; [4] Mueller et al., NatureNanotech. 5, 27 (2010) ; [5] S.Wang et al. Nano Letter 11, 23 (2011);
[6] Nish, A. et al. Nat. Nanotechnol. 2, 640 (2007) ; [7] Chen, F. et al. Nano Lett. 7, 3013 (2007) ; [8] Nish, A. et al. Nanotechnology 19, 095603 (2008) ; [9] Hwang, J.-Y. et al., J. Am. Chem. Soc. 130, 3543-3553 (2008) ; [10] Gaufrès E. et al., Appl. Phys. Lett. 96, 231105 (2010) ; [11] Gao, J. et al. Carbon 49, 333 (2011) ; [12] Tange M. et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 4, 6458 (2012) ; [13] Sarti F. et al Nano Research 9, 2478 (2016) ; [14] Balestrieri M. et al Advanced Functional Materials 1702341 (2017) ; [15] Margulis Vl.A. et al. Physica B 245, 173 (1998) ; [16] Arestegui O.S. Optical Materials 66, 281 (2017)
[17] Chu H. et al. Nanophotonics 9(4): 761 (2020) ; [18] Song B. et al. ACS Photonics 7, 2896 (2020)

Thanks to their outstanding electrical, mechanical and chemical characteristics, carbon nanotubes have been demonstrated to be very promising building blocks for future nanoelectronic technologies. More recently, with the development of a better control of the material, other perspectives and fields of application have opened up.

This is particularly the case in optics, optoelectronics and photonics. Here, carbon nanotubes have attracted more attention because of their typical fundamental optical transition in the NIR [1-2] in a frequency range of interest for the telecommunications. This characteristic, combined with their exceptional electrical properties, has led to a great deal of interest in optoelectronic devices based on carbon nanotubes [3, 4, 5].

Here, we will perform optical and opto-electronic studies onto semiconducting nanotubes that we will extract from the pristine mixture by a method based on selective polymer wrapping [6-14]. In particular, we aim to reduce the distribution in chiralitiy to study the influence and characteristic of the trapped excitons by chemical functionalisation. Indeed, the comprehension of the related phenomena is extremely important to obtain performant devices at room temperature (photodetectors, LED, single photon sources, etc.) and to integrate them in a photonic platform [15-18].
Specifically, the integration within the photonic platform will be done in the framework of a collaborative project with C2N in Saclay while the non-linear optical studies will be performed at the Optics Institute of Bordeaux.

References:
[1] S. M. Bachilo et al. Science 298, 2361 (2002) ; [2] O’Connell M. J. et al., Science 297, 593 (2002) ;
[3] Freitag et al., NanoLetter 6, 1425 (2006) ; [4] Mueller et al., NatureNanotech. 5, 27 (2010) ; [5] S.Wang et al. Nano Letter 11, 23 (2011);
[6] Nish, A. et al. Nat. Nanotechnol. 2, 640 (2007) ; [7] Chen, F. et al. Nano Lett. 7, 3013 (2007) ; [8] Nish, A. et al. Nanotechnology 19, 095603 (2008) ; [9] Hwang, J.-Y. et al., J. Am. Chem. Soc. 130, 3543-3553 (2008) ; [10] Gaufrès E. et al., Appl. Phys. Lett. 96, 231105 (2010) ; [11] Gao, J. et al. Carbon 49, 333 (2011) ; [12] Tange M. et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 4, 6458 (2012) ; [13] Sarti F. et al Nano Research 9, 2478 (2016) ; [14] Balestrieri M. et al Advanced Functional Materials 1702341 (2017) ; [15] Margulis Vl.A. et al. Physica B 245, 173 (1998) ; [16] Arestegui O.S. Optical Materials 66, 281 (2017)
[17] Chu H. et al. Nanophotonics 9(4): 761 (2020) ; [18] Song B. et al. ACS Photonics 7, 2896 (2020)

Physique, Chimie, Science des matériaux

Physic, Chemistry, Material science

Techniques de caractérisation de nano-objets (AFM, MEB), micro/nano fabrication, mesures de transport, spectroscopie optique et spectroscopie d’électroluminescence, manipulation de nano-objets

AFM, SEM, Micro and nanofabrication, transport measurements, optical spectroscopy, optoelectronics, nano-object manipulation

LabVIEW

Le stagiaire recruté, après avoir dessiné et imprimé les objets via des technologies d'impression 3D, s'intéressera à la modification chimique des surfaces de ces objets . Il devra ensuite caractériser ces objets d’un point de vue physicochimique et morphologique (IR, XPS, MEB, AFM).

After drawing and printing the objects using 3D printing technologies, the chemical modification of the surfaces of these objects will be study. Physicochemical and morphological characterization (IR, XPS, SEM, AFM) will be carried out.

Les technologies additives (impression 3D) représentent une nouvelle approche afin de faire du prototypage rapide et créer des objets pour des applications diverses, pour le domaine de l’aérospatial, de l’automobile, en microélectronique, ou pour le domaine médical. Nous avons, au sein du laboratoire, déjà mis à profit cette technologie afin de créer des pistes conductrices sur support souple, ou bien pour réaliser des revêtements bactéricides sur des films alimentaires.

Dans le cadre d’une nouvelle thématique, l’impression 3D de dispositifs médicaux, l’équipe a fait l’acquisition d’une imprimante permettant de concevoir des objets en polymères biocompatibles. Il s’agira de combiner cette technologie avec le savoir-faire du laboratoire dans le domaine du revêtement de surface (Graftfast®, SEEP, surfaces antibactériennes, matériaux pour la dépollution...) afin de concevoir des objets creux ayant des propriétés différentes sur ses parois externe et interne.

Le stagiaire recruté, après avoir dessiné et imprimé les objets, devra trouver la meilleure méthodologie afin de modifier cette paroi interne sans altérer la paroi externe, en mettant en place le système fluidique à partir des différents équipements disponibles. Il faudra ensuite caractériser ces tubes modifiés, d’un point de vue physico-chimique et morphologique, afin de confirmer la modification sans altération de la surface.

Pour ce faire, il pourra s’intéresser à :
• La chimie de surface : spectroscopie ATR-IR, spectrométrie XPS
• La rugosité : profilométrie, AFM
• La morphologie : MEB

Additive technologies (3D printing) represent a new approach to rapid prototyping and creating objects for various applications, for the aerospace, automotive, microelectronics, or medical fields. In the laboratory, we have already used this technology to create conductive tracks on a flexible support, or to produce bactericidal coatings on food films.

As part of a new theme, 3D printing of medical devices, the team acquired a printer to design objects in biocompatible polymers. This will involve combining this technology with the laboratory's know-how in the field of surface coating (Graftfast®, SEEP, antibacterial surfaces, materials for depollution, etc.) in order to design hollow objects with different properties on its outer and inner walls.

The recruited trainee, after having drawn and printed the objects, will have to find the best methodology to modify this internal wall without altering the external wall, by setting up the fluidic system from the various equipment available. It will then be necessary to characterize these modified tubes, from a physico-chemical and morphological point of view, in order to confirm the modification without altering the surface.

To do this, he may be interested in:
• Surface chemistry: ATR-IR spectroscopy, XPS spectrometry
• Roughness: profilometry, AFM
• Morphology: SEM

Matériaux polymères, impression 3d

Polymer, 3D printing

Spectroscopie ATR-IR, spectrométrie XPS profilométrie, AFM, MEB

ATR-IR spectroscopy, XPS spectrometry profilometry, AFM, SEM

FREECAD

Les porphyrines sont des macrocycles tetrapyrroliques aromatiques qui présentent une grande diversité de propriétés optiques, opto-électroniques et électrochimiques. Le but de ce projet est de synthétiser de nouveaux matériaux à base de porphyrines pour tirer partie de ces propriétés.

Porphyrins are aromatic tetrapyrrolic macrocycles that exhibit a wide range of optical, optoelectronic and electrochemical properties. The aim of this project is to synthesize new materials based on porphyrins to take advantage of these properties.

Le but de ce projet est de synthétiser de nouvelles molécules à base de porphyrines pour la fabrication de nanostructures mono- et bidimensionnelles. Les porphyrines sont des macrocycles tetrapyrroliques aromatiques ; les dérivés de porphyrines sont des briques essentielles du vivant, notamment pour le transport d'oxygène, pour les réactions d'oxydation et également pour la photosynthèse. Au-delà de cette importance dans le domaine du vivant, les propriétés optiques et électroniques des porphyrines en font un des matériaux les plus étudiés pour la conversion d'énergie, la catalyse, l'optique/optoélectronique et la médecine.

D'autre part, à cause de leur structure et de la grande versatilité de leur synthèse, les porphyrines meso-substituées ont permis la formation d'un large éventail de nanostructures covalentes ou supramoléculaires.[1-5] Dans ce contexte, au cours de ce stage nous proposons de synthétiser des dérivés de porphyrines contenant des groupements PAHs (hydrocarbures aromatiques polycycliques)[6] pouvant conduire à des porphyrines pi-étendues et/ou des nanostructures mono- et bidimensionnelles.[7,8] Avec ces assemblages, nous visons à exploiter les propriétés optiques et optoélectroniques des porphyrines. Ce projet rassemble plusieurs partenaires possédant des expertises complémentaires en chimie (CEA-Saclay) et en microscopie à effet tunnel (ISMO-Univ. Paris-Sud et IM2NP/CINaM à Marseille). Pour ce projet le/la candidat(e) devra posséder une solide formation en chimie organique. Le projet sera réalisé en collaboration avec des physiciens ; le/la candidat(e) doit également avoir un goût prononcé pour le travail multidisciplinaire.

Références :
1. S. Mohnani and D. Bonifazi, Coord.Chem.Rev., 2010, 254, 2342-2362.
2. N. Aratani and A. Osuka, Bull.Chem.Soc.Jpn, 2015, 88, 1-27.
3. R. Haver and H. L. Anderson, Helv.Chim.Acta, 2019, 102, e1800211.
4. L. Grill, M. Dyer, L. Lafferentz, M. Persson, M. V. Peters and S. Hecht, Nat.Nanotechnol., 2007, 2, 687-691.
5. J. Otsuki, Coord.Chem.Rev., 2010, 254, 2311-2341.
6. Synthesis and Suzuki–Miyaura cross coupling reactions for post-synthetic modification of a tetrabromo-anthracenyl porphyrin
J. Pijeat, Y. J. Dappe, P. Thuéry and S. Campidelli, Org.Biomol.Chem., 2018, 16, 8106-8114.
7. Edge-on self-assembly of tetra-bromoanthracenyl-porphyrin on silver surfaces
N. Kalashnyk, M. Daher Mansour, J. Pijeat, R. Plamont, X. Bouju, T. S. Balaban, S. Campidelli, L. Masson and S. Clair, J. Phys. Chem. C 2020, 124, 40, 22137–22142.
8. J. Pijeat, L. Chaussy, R. Simoës, J. Isopi, J.-S. Lauret, F. Paolucci, M. Marcaccio and S. Campidelli, ChemOpen, 2021, 10, 997-1003.

Synthèse organique, RMN, spectrométrie de masse.

Le terme graphène regroupe toute une famille de matériau. Dans ce stage, nous proposons de construire par des méthodes synthèses organiques des nanoparticules de graphène pour l'étude de leurs propriétés optiques et qui peuvent servir de brique de base pour la réalisation de matériaux graphéniques.

The term graphene covers a whole family of materials. In this internship, we propose to build by organic synthesis methods graphene nanoparticles for the study of their optical properties and which can serve as a basic brick for the realization of graphene materials.

Le graphène est un matériau bidimensionnel issu, à l'origine, du graphite. Une des limites majeures à l'utilisation du graphène notamment en optique et en électronique est l'absence de bande interdite (gap ou bandgap) ; en effet le graphène est un semi-métal. Un des moyens pour ouvrir un "gap" dans le graphène consiste à réduire une ou ses deux dimensions jusqu'aux échelles nanométriques ; on forme ainsi des nanorubans ou des nanoparticules de graphène. Une autre méthode consiste à former un réseau régulier de trous dans le graphène, ces matériaux sont appelés "Nanomesh de graphène". Depuis une dizaine d'année, plusieurs groupes se sont intéressés à la réalisation et à l'étude de ces structures en utilisant l'approche "top-down", c'est-à-dire par la formation de nanostructures à partir du matériau macroscopique par des processus d'oxydation chimique, des attaques plasma, etc...[1-3] L'inconvénient de la méthode "top-down" est qu'elle ne permet pas de contrôler précisément la structure du matériau final. De plus il a été démontré que les propriétés optiques et électroniques sont largement influencées par les effets bords et leur état d'oxydation. Par opposition, la synthèse de matériaux graphéniques par synthèse chimique (approche "bottom-up") permet de contrôler les structures à l'atome près. [4,5]

Ce projet s'inscrit dans ce contexte et le but est donc de synthétiser des matériaux graphéniques (nanoparticules de graphène, nanomesh de graphène) par l'approche "bottom-up", c'est-à-dire via des réactions de chimie organique (couplage au palladium, Diels-Alder, réaction de Scholl, etc…) Dans le cadre d'une collaboration avec l'ENS Paris-Saclay (laboratoire LUMIN), nous avons synthétisé plusieurs nanoparticules au LICSEN et leurs propriétés d'ensembles et sur molécules individuelles ont été étudiées au LUMIN. Nous avons montré que ces particules possèdent à la fois les propriétés intéressantes des molécules (petite taille, grande section efficace d'absorption, possibilité d'accorder leurs propriétés grâce à la chimie organique) et celles d'émetteurs solides comme les centres colorés du diamant (haute brillance et bonne photostabilité).[6-8]

Lors de ce stage de nouvelles familles de nanoparticules de graphène seront synthétisées et nous nous intéresserons également à la synthèse de précurseurs de nanomesh de graphène. Ce stage est principalement un stage de chimie moléculaire, les techniques classiques de chimie seront utilisées (chimie en sorbonne, travail sous atmosphère inerte, rampe vide/argon, etc). Les techniques classiques de caractérisation : spectroscopie RMN, abs. UV-Vis-NIR, photoluminescence ainsi que la spectrométrie de masse (MALDI-TOF) seront utilisées.

Pour ce projet le/la candidat(e) devra posséder une solide formation en chimie organique. Le projet sera réalisé en collaboration avec des physiciens ; le/la candidat(e) doit également avoir un goût prononcé pour le travail multidisciplinaire. Ce travail pourra donner lieu à une poursuite d'étude en thèse.

Références :
[1] D. V. Kosynkin, A. L. Higginbotham, A. Sinitskii, J. R. Lomeda, A. Dimiev, B. K. Price, J. M. Tour, Nature 2009, 458, 872-877.
[2] L. Jiao, L. Zhang, X. Wang, G. Diankov, H. Dai, Nature 2009, 458, 877-880.
[3] L. Li, G. Wu, G. Yang, J. Peng, J. Zhao, J.-J. Zhu, Nanoscale 2015, 5, 4015-4039.
[4] A. Narita, X. Y. Wang, X. Feng, K. Müllen, Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 6616-6643.
[5] J. Pijeat, J.-S. Lauret, S. Campidelli. "Bottom-up approach for the synthesis of graphene nanoribbons", (Eds.: L. Brey, P. Seneor, and A. Tejeda), Graphene Nanoribbons, IOP Publishing Ltd, 2020, p. 2.1-2.25.
[6] S. Zhao, J. Lavie, L. Rondin, L. Orcin-Chaix, C. Diederichs, P. Roussignol, Y. Chassagneux, C. Voisin, K. Müllen, A. Narita, S. Campidelli, J.-S. Lauret, Nat. Commun. 2018, 9, 3470
[7] T. Liu, C. Tonnelé, S. Zhao, L. Rondin, C. Elias, D. Medina-Lopez, H. Okuno, A. Narita, Y. Chassagneux, C. Voisin, S. Campidelli, D. Beljonne and J.-S. Lauret, Nanoscale, 2022, 14, 3826-3833.
[8] D. Medina-Lopez, T. Liu, S. Osella, C. Elias, L. Rondin, B. Jousselme, V. Derycke, D. Beljonne, J.-S. Lauret and S. Campidelli, in preparation.

Synthèse organique, RMN, spectrométrie de masse, spectroscopie d'absorption et de photoluminescence

Organic synthesis, NMR, Mass spectrometry, absorption and photoluminescence spectroscopy