NIMBE

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

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.

Dans le cadre de ce projet, les porphyrines synthétisées seront étudiées en collaboration avec plusieurs groupes de physiciens dans le but de réaliser sur surface par voie "bottom-up" des réseaux covalents (1D ou 2D) et d’étudier leur propriétés optiques et électroniques.

La production d’hydrogène par des sources d’énergie durables et renouvelables est essentielle pour l’avenir et la transition énergétique. Dans ce contexte, nous proposons, dans le cadre de cette thèse, un dispositif de photolyse de l’eau mimant la photosynthèse artificielle en combinant l’absorption de lumière à des catalyseurs dans un système photo-électro-catalytique compact et unique. Cette stratégie sera développée grâce à un dispositif innovant et efficace de production de combustible solaire combinant des matériaux catalytiques non-nobles et robustes à faible coût et hautes performances avec des cellules solaires tandems pérovskite/nanofils de silicium permettant d’obtenir les tensions nécessaires tout en autorisant une plus grande surface développée.

Depuis sa découverte qui a valu le Prix Nobel de Physique à A. Geim et K. Novoselov en 2010, le graphène a provoqué l’engouement de la communauté scientifique. À cause de ces propriétés électroniques, le graphène est vu comme un matériau de choix pour de très nombreuses applications : électronique/optoélectronique rapide et flexible, électrode ou matériau actif dans le domaine des énergies renouvelables (photovoltaïque, piles à combustible, supercondensateurs).



Pour de nombreuses applications, il convient d’être capable de modifier et de contrôler les propriétés électroniques du graphène. Ceci peut être réalisé grâce à l’apport de la chimie organique. Dans ce sujet, nous proposons de synthétiser des motifs graphéniques en particulier des nanoparticules de graphène et d’étudier leurs propriétés d’absorption et d’émission dans l’IR. Ce projet sera développé en collaboration avec des physiciens, le candidat devra donc avoir un gout prononcé pour le travail pluridisciplinaire.

L’utilisation à grande échelle des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFCs) pour la motorisation des véhicules nécessite le développement de nouveaux catalyseurs. En effet, les coûts élevés des PEMFCs sont principalement liés à la nécessité d’utiliser une grande quantité d’un métal noble, le platine, comme catalyseur des réactions électrochimiques afin d’obtenir des performances suffisantes. Ce travail de thèse concerne donc la fabrication et l’optimisation de nouveaux catalyseurs n’ayant qu’une faible quantité de Platine supporté sur un matériau carboné présentant lui aussi une activité catalytique vis-à-vis de la réduction de l’oxygène. Ces carbones supports enrichis en azote et comportant un métal non noble associé à une infime quantité de Platine devraient conduire à terme à des matériaux peu couteux. L’objectif du travail de thèse est donc de synthétiser et d’optimiser à large échelle des supports carbonés catalytiques et de quantifier le nombre de site actifs pour la fabrication de catalyseurs à faible chargement de platine.

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, en optoélectronique et en photonique 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] dans le domaine de longueurs d’onde d’intérêt pour le télécom. Cette caractéristique combinée à leurs propriétés électriques exceptionnelles fait que les dispositifs optoélectroniques à base de nanotubes de carbone ont suscité beaucoup d’intérêt [3, 4, 5] ainsi que leur intégration dans une plateforme photonique. En effet, le silicium qui est le matériau à la base des technologies du traitement de l’information, a un gap indirect et l’intégration des nanotubes de carbone permettra d’envisager une multitude d’applications et une avancée décisive pour les futurs circuits photoniques.



Dans ce projet nous comptons tout d’abord contribuer par l’étude des propriétés d’électroluminescence et de photo-courant des dispositifs à nanotubes triés en chiralité [6-14]. Ici, nous nous intéresserons à une réduction drastique de la distribution en chiralité pour étudier ensuite l’influence et les caractéristiques des état excitoniques piégés [15-18]. La compréhension de phénomènes impliqués est primordiale pour réaliser des dispositifs performants à température ambiante (photo-détecteurs, LEDs performantes et sources de photon unique). De plus, dans le cadre d’un projet collaboratif avec le C2N à Saclay et l’Institut d’Optique de Bordeaux, les propriétés optiques non-linéaires des nanotubes de carbone intégrés dans une plateforme photonique seront considérées [19-22].





[1] S. M. Bachilo et al. Science 298, 2361 (2002) ;

[2] O’Connell M. J. et al., Science 297, 593 (2002) ;

[3] Ph.Avouris et al. Nature Photonics 2, 341 (2008) ;

[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] X. He et al. Nature Photonics 11 577 (2017)

[16] X. He et al Nature Materials 17 663(2018)

[17]Y. Luo et al. Nano Lett. 19, 9037(2019)

[18] B. J. Gifford et al. Acc.Chem.Res. 53, 1791(2020)

[19] Margulis Vl.A. et al. Physica B 245, 173 (1998)

[20] Arestegui O.S. Optical Materials 66, 281 (2017)

[21] Chu H. et al. Nanophotonics 9(4): 761 (2020),

[22] Song B. et al. ACS Photonics 7, 2896 (2020)