This thesis reports studies done on single-walled carbon nanotubes (SWNTs) using optical spectroscopy as the primary investigative technique. It focuses on advances in sample preparation which have been made possible through improvements to the method of photo-luminescence excitation (PLE) mapping of nanotubes. An introduction to the field and some theoretical models are presented initially to provide a background to the experimental chapters which follow. A description of the standard procedure for sample preparation in aqueous surfactants is then followed by a detailed introduction to PLE mapping, including modeling of SWNT spectra. The next chapter discusses improvements to the sample preparation method by using organic polymer solutions instead of aqueous surfactants for suspending the nanotubes. The results show reductions in the distribution of SWNT species which are solubilised, leading to significant improvements in the resolution of the optical absorbance spectra and an increased photoluminescence yield. Two experiments which were performed on the novel polymer-SWNT systems are then described. The first shows (via PLE mapping) that energy is transfered to the SWNTs when the polymer is photo-excited. The possible mechanisms behind this, as well as the implications for using carbon nanotubes as an additive in polymer photovoltaics, are discussed. The second experiment details a recent magneto-PL study of SWNTs embedded in films produced from the polymer solutions. Here, the improved optical signatures and absence of strain at low temperatures have revealed a previously unseen high field intensity dependence. The behavior has been explained by the magnetic field induced mixing of the excitonic states.

No description available.

In this work, a new condensed matter approach to the study of excitons based on crystalline thin films of the organic molecule phthalocyanine is introduced. The premise is inspired by a wealth of studies in inorganic semiconductor ternary alloys (such as AlGaN, InGaN, SiGe) where tuning compositional disorder can result in exciton localization by alloy potential fluctuations. Comprehensive absorption, luminescence, linear dichroism and electron radiative lifetime studies were performed on both pure and alloy samples of metal-free octabutoxy-phthalocyanine and transition metal octabutoxy-phthalocyanines, where the metal is Mn, Co, Ni, and Cu. Varying the ratios of the metal to metal-free phthalocyanines in all of these studies, as well as looking across a temperature range from 4 Kelvin up to room temperature is essential for quantifying the exciton wavefunction delocalization in crystalline thin films. A comparative study is performed across organic aromatic ringed molecules of different sizes in the same family: phthalocyanine, naphthalocyanine and tetra-phenyl porphyrin. In an analogy to nanocrystals and their size effects, variations in pi-conjugated ring sizes imply an altering in the number of delocalized electrons, impacting the wavefunction overlap between pi-pi orbitals along the perpendicular axis of neighboring molecules. Finally, complementary measurements that assess crystallinity of the in-house deposited thin films, including individual grain absorption, small angle x-ray scattering images, polarized microscope images and a new unique linear dichroism microscopy dual imaging/luminescence technique are also discussed.

Deux méthodes de synthèse chimique, relevant de l'approche bottom-up, sont mises en oeuvre pour élaborer des nanocristaux (NC) de sulfure de cadmium (CdS) : les croissances (i) par source unique de précurseur et (ii) par voie micro-ondes. Ces deux techniques, complémentaires dans la gamme de tailles obtenues, permettent la réalisation de NC de petites tailles (2,8 nm - 5,2 nm) en seulement (i) 120 min et (ii) quelques minutes. Un protocole de caractérisation par techniques conjointes est mis au point pour étudier ces NC. La spectrométrie de masse (SM) couplée à des sources d'ionisation douce contrôle la pureté et la stabilité des précurseurs et permet d'estimer la taille et la distribution en taille des NC. Ces estimations sont confirmées par microscopie électronique en transmission (MET). La confrontation des résultats de SM et de MET suggère une géométrie des NC (i) sphérique et (ii) ellipsoïdale. La diffraction des rayons X montre l'état cristallin des nanoparticules en structures (i) würtzite et (ii) zinc blende. La spectrométrie optique à température ambiante (absorption et photoluminescence - PL) témoigne des effets de confinement quantique par le glissement de la réponse excitonique dans le domaine bleu proche UV en fonction de la taille des NC, s'inscrivant dans la correspondance connue énergie-taille. Dans la perspective d'applications optoélectroniques, le dépôt en couches minces de polymère (PMMA) contenant des NC de CdS est entrepris par spin coating. Le même protocole de caractérisations, enrichi de techniques adaptées aux couches minces, montre que les NC conservent leur intégrité et leurs propriétés de PL après inclusion dans la couche / Two chemical methods are developed to synthesize cadmium sulfide (CdS) nanocrystals (NC) in bottom-up approach: (i) single-source precursor methodology and (ii) microwave synthetic route. These two growth techniques are complementary in the size range obtained and allow production of small NC (2.8 nm - 5.2 nm) in only (i) 120 min and (ii) some minutes. A joint technique characterization protocol is developed to study the synthesized NC. Mass spectrometry (MS) coupled to soft ionization sources allows to control the purity and stability of the precursors and to estimate the NC size and size distribution. These estimations are confirmed by transmission electron microscopy (TEM). Comparison between SM and TEM results suggests that NC have (i) spherical and (ii) prolate shapes. X-ray diffraction reveals nanoparticle crystalline structure in (i) wurtzite and (ii) zinc blende symmetries. Room temperature optical spectrometry (absorption and photoluminescence - PL) evidences quantum confinement effects by the shift of the excitonic response as a function of the NC size, in the blue-UV spectral range. These results are consistent with the well-known empirical energy-size correspondence. For optoelectronic application purpose, thin film deposition of polymer (PMMA) containing CdS NC is initiated by spin coating. The previous characterization protocol, extended to techniques dedicated to thin film studies, shows that NC maintain their integrity and PL properties after inclusion in PMMA layer

L’oxyde de zinc est un matériau prometteur pour la réalisation de composants optoélectroniques dans la gamme des émetteurs UV. Pour cela il faut développer des hétéro-structures tel que des puits quantiques ZnO/(Zn, Mg)O afin de mieux contrôler les propriétés d’émissions. Ce travail porte sur la caractérisation de telles structures crûes sur le plan A, surface non polaire, de ZnO massif. A partir de mesures de spectroscopie optiques (réflectivité, photoluminescence en excitation continue et photoluminescence résolue en temps) nous avons déterminé les différents phénomènes physiques mis en jeux lors de la recombinaison radiative des porteurs dans ces puits quantiques. Dans un premier temps, nous avons étudié en détail l’émission des photons par les barrières de (Zn, Mg)O. Grace à l’étude en température nous avons montré que l’émission optique de la barrière correspond à la recombinaison de paires électron trou en interactions (excitons) qui sont à basses températures localisées dans des fluctuations de potentiel. Sous l’effet de la température ils se délocalisent et se recombinent comme des exciton libres. L’étude détaillée des déclins temporels de photoluminescence nous à permis de démontrer que nous avions affaire à deux états excitoniques différents qui présentent des dynamiques de recombinaisons différentes. Un modèle est proposé pour rendre compte des différentes observations. La partie principale de ce travail porte sur le comportement des excitons dans le puits quantique. Le résultat majeur de cette étude est la démonstration expérimentale que dans ce cas des complexes excitoniques, ici des trions chargé négativement (exciton en interaction avec un électron libre), se forment à basse température et sont responsable de la luminescence observée. De plus, en variant la densité d’excitation nous avons montré que se former également des bi-excitons (pseudo particule formée de deux exciton en interactions). Le comportement en température de la photoluminescence obtenue dans différente conditions d’excitation à permis de démontrer que sous l’effet de l’énergie thermique les complexes excitoniques se dissociés pour créer des excitons libres. Des mesures en fonction de la polarisation de la lumière émise et de la température ont permis également d’étudier l’état C de l’exciton dans le puits. Les dynamiques de recombinaison des différents complexes excitoniques sont examinées en fonction de la température. / The zinc oxide is a promising material for the realization of optoelectronic devices in the blue-UV range. For this, it is necessary to develop hetero-structures such as ZnO / (Zn, Mg) O quantum wells in order to have better control of the properties of emissions. This work concerns the characterization of such structures grown on the A-plane (non-polar surface) of bulk ZnO. From optical spectroscopies measurements (reflectivity, continuous wave and time-resolved photoluminescence) we determined the various physical phenomena involve during the radiative recombination of the carriers in these quantum wells. At first, we studied in detail the emission of photons by the barriers of (Zn, Mg) O. Thanks to the study in temperature we showed that the optical emission of the barrier corresponds to the recombination of electron hole pairs in interactions (excitons), which are at low temperatures localized in the fluctuations of the potential. Under the influence of the temperature they delocalize and recombine as free exciton. From the detailed study of the temporal decays of photoluminescence we can demonstrate that we deal with two different excitonic states, which present different dynamics of recombination. A model is proposed that explain the various observations. The main part of this work concerns the behavior of the excitons in the quantum well. The major result is the experimental demonstration that excitonics complexes are formed at low temperature, negatively charged trion (exciton in interaction with a free electron), in this system and they are responsible for the observed luminescence. Furthermore, by varying the density of excitation we showed that biexcitons are also form (pseudo-particles formed by two excitons in interactions). The behavior in temperature of the photoluminescence obtained in different conditions of excitation demonstrates that under the influence of the thermal energy the exitonic complexes are broken to create free excitons. Measures according to the polarization of the emitted light and the temperature also allowed studying the C state of the exciton in the quantum well. The dynamics of recombination of the various excitonics complexes are examined according to the temperature.

Pendant cette thèse nous avons travaillé sur deux aspects des nanoparticules organiques fluorescentes d’AdamBodipy : leur spectroscopie et leur production avec des tailles contrôlées. La structure cristallographique des cristaux d’Adambodipy a été obtenue par diffraction-X. Nous avons produit des microcristaux (100×10×1µm3) par précipitation dans des solutions de sursaturation faible. Nous avons mesuré leur spectroscopie sous microscope dans la gamme 380nm à 900nm. Les microcristaux sont biréfringents et dichroïques. Nous avons mesuré leur biréfringence en déterminant leurs indices de réfraction suivant les deux axes neutres par le méthode de Swanepoel. Nous avons mesuré des spectres d’absorption suivant les axes neutres. Nous avons calculé ces spectres d’absorption en utilisant la théorie du couplage dipolaire pour les exciton de Frenkel. La valeur du couplage intermoléculaire a été estimée par le modèle classique. Mais pour deux paires particulaires de la maille nous avons comparé cette estimation classique du couplage avec la valeur qui peut être déduite du calcul quantique du dimère par TDDFT. L’ordre de grandeur est vérifié. Le programme s’applique à des nanoparticules formées de N×N×N (N<11) mailles cristallines. Les spectres calculés reproduisent le dichroïsme, l’élargissement des spectres d’absorption, mais il apparaît que les spectres expérimentaux sont écrêtés par la faible dynamique de notre spectrophotomètre sous microscope. Le calcul du spectre de fluorescence prédit une bande polarisée selon la direction b de la maille. L’expérience en distingue deux autres décalée dans le rouge. L’étude de leur polarisation ainsi que de leur dynamique de fluorescence permet d’attribuer ces bandes rouges à des défauts dans la structure cristalline. Les spectres des nanoparticules produites dans la deuxième partie ne sont pas ceux de la forme cristalline. Nous avons pu reproduire ces spectres en introduisant un désordre d’orientation à l’intérieur la structure des N×N×N mailles. La focalisation hydrodynamique 3D, nous a permis de produire des nanoparticules de taille contrôlée sans qu’il y ait précipitation de l’AdamBodipy sur les parois. En réglant le rapport des flux entre la solution organique de colorant et la solution aqueuse non solvant, nous avons pu ajuster la taille des nanoparticules entre 100 et 300nm. La stabilité colloïdale des nanoparticules est assurée par du CTACl en dessous de la CMC. En effet au dessus de la CMC les nanoparticules coexistent avec des micelles chargées en colorant. Les spectroscopies d’absorption et de fluorescence des nanoparticules montrent qu’elles sont amorphes. Nous avons simulé la précipitation des nanoparticules par COMSOL en introduisant une l’hydrodynamique de mélange par diffusion mutuelle de l’eau et de l’éthanol et de diffusion du colorant dans ce mélange. Nos études de la solubilité de l’Adambodipy dans des mélanges organiques/eau, nous ont permis de déterminer la loi de solubilité et d’obtenir des cartes de la super-saturation dans le microdispositif. Nous avons utilisé l’imagerie de fluorescence pour suivre le processus de précipitation. Les images obtenues sont semblables à celles calculées par COMSOL On observe une précipitation à l’interface entre les deux solvants ainsi qu’une précipitation en masse après un temps de résidence qui dépend du rapport des flux. Les déclins de fluorescence collectés en différents points du canal microfluidique peuvent être attribués à trois espèces : le monomère, la nanoparticule et une espèce intermédiaire, un germe. / During this work, we have addressed two aspects of the properties of the fluorescent organic nanoparticles made of Adambodipy: their spectroscopy and their production with controlled sizes. We have produced micro-crystals (100x10x1µm3) by precipitation in solutions of low supersaturation. We have measured their spectroscopy under microscope in the range 380nm to 900nm. The microcrystals are birefringent and dichroic. By adding polarizers on a microscope we have measured their refraction index along the two neutral axes according to the method of Swanepoel. We have measured the two absorption spectra along the neutral axis. We have calculated these absorption spectra using the model of the dipolar coupling for Frenkel excitons. The amplitude of this coupling has been estimated according to the classic model. But for two particular pairs of the cell, we have compared this estimation with the value that can be deduced from the quantum calculation of a dimer by TDDFT. The calculated spectra reproduce the dichroism, the spectral broadening of the absorption spectra but not the experimental peak shape probably because our micro-spectrophotometer levels up at high absorbance. The calculated fluorescence spectra predict a polarized transition along the b direction of the cell. The experiment shows two other red shifted bands. The study of their polarization, as well as their fluorescence lifetime allows us to attribute them to defects in the crystal. The spectra of the nanoparticles produced in the second part of this work are not those of crystals. We have been able to reproduce them theoretically by introducing an orientation disorder inside the periodic structure. The 3D hydrodynamic focusing enables us to produce nanoparticles with controlled size without precipitation of Adambodipy on the wall. We have used the PDMS technology and we moved to a glass tube approach, in order to avoid the diffusion of fluorescence into the PDMS. By adjusting the flow ratio between the inner organic solution of the dye and outer aqueous solution, we can control the size of the nanoparticle between 100nm and 300nm. The stability of the colloidal suspension is maintained by the surfactant CTACl below the CMC. Indeed above the CMC, the nanoparticles exist together with dyes dispersed in micelles. We have simulated using COMSOL the precipitation of the nanoparticles. We have introduced in the calculation the hydrodynamic and mutual diffusion of water and ethanol, as well as the diffusion of the Adambodipy. From our studies of the solubility of Adambodipy in water/ethanol mixtures, we have obtained the saturation curve and we have built the supersaturation maps in the micro-device. We have used Fluorescence lifetime imaging microscopy to follow in situ the precipitation process. From the decay collected in different positions can be attributed to the coexistence of three species : the monomers, the nanoparticles and an intermediate species supposed to be the nuclei. The FLIM shows a precipitation in the diffusion area of the two solvents as well as a massive precipitation after a few hundred of millisecond. The FLIM images are very close to the COMSOL predictions.

Par des méthodes de spectroscopie ultra-rapide, nous avons étudié la relaxation de spin excitonique dans des couches de GaN épitaxiées sur des substrats de saphir et SiC. En nous appuyant sur les règles de sélection pour les transitions optiques, nous avons utilisé des impulsions laser polarisées ultra-courtes (~ 100 fs) pour réaliser l'orientation optique des populations excitoniques et étudier leur évolution temporelle. Nous déduisons, de l'observation d'une transition induite exciton-biexciton, que le processus de Bir-Aronov-Pikus, qui met en jeu la relaxation en bloc du spin de l'exciton, joue un rôle négligeable par rapport à la relaxation du spin des porteurs individuels. En outre, nous montrons que la grande densité de dislocations traversantes, générées pendant l'hétéroépitaxie de GaN sur un substrat désaccordé en paramètre de maille, favorise la relaxation de spin via le mécanisme d'Elliott-Yafet. La dépendance en température de la dynamique de spin vient conforter cette interprétation. Nous montrons également que la structure de la bande de valence a une forte influence sur la relaxation du pseudo-spin du trou. En particulier, celle-ci est ralentie lorsque l'éclatement en énergie ∆EAB entre les bandes de trous -lourd et -léger est supérieur à l'élargissement inhomogène Γ des transitons excitoniques. Un fort taux de polarisation circulaire de DR/R (~50%) est également déterminé dans ce cas. Au contraire, lorsque Γ > ∆EAB, les résonances A et B se recouvrent et le système est alors équivalent à une structure blende de zinc dans laquelle le sommet de la bande de valence est quatre fois dégénéré. Le taux de polarisation de DR/R est alors plus faible (~10%) et les temps de relaxation de spin plus courts.

Ce travail est consacré à l'étude d'effets non-linéaires et quantiques dans des microcavités semi-conductrices. La réponse optique de ces dispositifs est décrite en termes de modes mixtes exciton-photon, les polaritons de cavité. <br />Nous avons d'abord effectué des expériences dans le régime d'oscillation paramétrique de polaritons, dans la configuration d'«angle magique».<br />Nous avons ensuite mis en évidence un phénomène d'oscillation de mélange à quatre ondes, sous excitation résonnante par deux faisceaux de pompe contrapropageants. L'étude de la polarisation de l'émission non linéaire permet d'avoir accès à la dynamique de spin des polaritons. La mesure du bruit d'intensité de l'émission montre que le processus de mélange à quatre ondes produit deux populations de polaritons fortement corrélées. <br />Enfin, nous avons effectué une étude théorique du mélange à quatre ondes, afin de préciser les conditions qui permettraient d'observer des polaritons corrélés quantiquement.

Etude expérimentale de la condensation de Bose-Einstein des excitons dans les solides.

Les nanotubes de carbone dont les deux tiers sont des semi-conducteurs à gap direct, ont des propriétés optiques originales dominées par le caractère undimensionel du confinement quantique imposé aux électrons. Ceci donne naissance à des excitons très fortement liés dont nous avons étudié la structure fine par des techniques de photoluminescence et de diffusion Rayleigh. Par ailleurs, l'étude de la dynamique des excitations élémentaires (à l'échelle sub-pico-seconde), nous a permis de mettre en évidence le rôle prépondérant des interactions avec l'environnement sur les propriétés de ces objets dont tous les atomes sont en surface. Dans une dernière partie, nous montrons comment tirer partie de cette interaction en fonctionnalisant les nanotubes avec des chromophores organiques dans le but de réaliser des dispositifs opto-électroniques de conversion d'énergie lumineuse.