Propriétés optiques dans l'infrarouge des nanotubes de carbone et du graphène

Les nanotubes de carbone et le graphène sont des nanostructures de carbone hybridé en sp2 dont les propriétés électriques et optiques soulèvent un intérêt considérable pour la conception d’une nouvelle génération de dispositifs électroniques et de matériaux actifs optiquement. Or, de nombreux défis demeurent avant leur mise en œuvre dans des procédés industriels à grande échelle. La chimie des matériaux, et spécialement la fonctionnalisation covalente, est une avenue privilégiée afin de résoudre les difficultés reliées à la mise en œuvre de ces nanostructures. La fonctionnalisation covalente a néanmoins pour effet de perturber la structure cristalline des nanostructures de carbone sp2 et, par conséquent, d’affecter non seulement lesdites propriétés électriques, mais aussi les propriétés optiques en émanant. Il est donc primordial de caractériser les effets des défauts et du désordre dans le but d’en comprendre les conséquences, mais aussi potentiellement d’en exploiter les retombées. Cette thèse traite des propriétés optiques dans l’infrarouge des nanotubes de carbone et du graphène, avec pour but de comprendre et d’expliquer les mécanismes fondamentaux à l’origine de la réponse optique dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Soumise à des règles de sélection strictes, la spectroscopie infrarouge permet de mesurer la conductivité en courant alternatif à haute fréquence des matériaux, dans une gamme d’énergie correspondant aux vibrations moléculaires, aux modes de phonons et aux excitations électroniques de faible énergie. Notre méthode expérimentale consiste donc à explorer un espace de paramètres défini par les trois axes que sont i. la dimensionnalité du matériau, ii. le potentiel chimique et iii. le niveau de désordre, ce qui nous permet de dégager les diverses contributions aux propriétés optiques dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la spectroscopie infrarouge des nanotubes de carbone monoparois sous l’effet tout d’abord du dopage et ensuite du niveau de désordre. Premièrement, nous amendons l’origine couramment acceptée du spectre vibrationnel des nanotubes de carbone monoparois. Par des expériences de dopage chimique contrôlé, nous démontrons en effet que les anomalies dans lespectre apparaissent grâce à des interactions électron-phonon. Le modèle de la résonance de Fano procure une explication phénoménologique aux observations. Ensuite, nous établissons l’existence d’états localisés induits par la fonctionnalisation covalente, ce qui se traduit optiquement par l’apparition d’une bande de résonance de polaritons plasmons de surface (nanoantenne) participant au pic de conductivité dans le térahertz. Le dosage du désordre dans des films de nanotubes de carbone permet d’observer l’évolution de la résonance des nanoantennes. Nous concluons donc à une segmentation effective des nanotubes par les greffons. Enfin, nous montrons que le désordre active des modes de phonons normalement interdits par les règles de sélection de la spectroscopie infrarouge. Les collisions élastiques sur les défauts donnent ainsi accès à des modes ayant des vecteurs d’onde non nuls. Dans une deuxième partie, nous focalisons sur les propriétés du graphène. Tout d’abord, nous démontrons une méthode d’électrogreffage qui permet de fonctionnaliser rapidement et à haute densité le graphène sans égard au substrat. Par la suite, nous utilisons l’électrogreffage pour faire la preuve que le désordre active aussi des anomalies dépendantes du potentiel chimique dans le spectre vibrationnel du graphène monocouche, des attributs absents du spectre d’un échantillon non fonctionnalisé. Afin d’expliquer le phénomène, nous présentons une théorie basée sur l’interaction de transitions optiques intrabandes, de modes de phonons et de collisions élastiques. Nous terminons par l’étude du spectre infrarouge du graphène comportant des îlots de bicouches, pour lequel nous proposons de revoir la nature du mécanisme de couplage à l’œuvre à la lumière de nos découvertes concernant le graphène monocouche.

Enhancing Kerr nonlinearity in an asymmetric double quantum well via Fano interference

We investigate the enhancement of Kerr nonlinearity in an asymmetric GaAs double quantum well via Fano interference, which is caused by tunneling from the excited subband to the continuum. In our structure, owing to Fano interference, the Kerr nonlinearity can be enhanced by appropriately choosing the values of the detunings and the intensity of the pump field, while cancel the linear and nonlinear absorptions.

Third harmonic enhancement due to Fano interference in semiconductor quantum well

We investigate the emission spectra of the semiconductor quantum well for few-cycle and sub-cycle pulse exciting. We find that Fano interference may induce third harmonic enhancement. Third harmonic enhancement varies with the magnitude and duration of the incident pulse, and may be enhanced by approximately one order of magnitude for the low intensity region of the sub-cycle incident pulse exciting.

Elkarrizketa: Dani Fano

Dani Fanori egindako elkarrizketa, Ikastolen Elkarteak argitaratzen duen Xabiroi aldizkariaren parte-hartzaileetako bat

Fano resonance in Raman scattering of graphene

Fano resonances and their strong doping dependence are observed in Raman scattering of single-layer graphene (SLG). As the Fermi level is varied by a back-gate bias, the Raman G band of SLG exhibits an asymmetric line shape near the charge neutrality point as a manifestation of a Fano resonance, whereas the line shape is symmetric when the graphene sample is electron or hole doped. However, the G band of bilayer graphene (BLG) does not exhibit any Fano resonance regardless of doping. The observed Fano resonance can be interpreted as interferences between the phonon and excitonic many-body spectra in SLG. The absence of a Fano resonance in the Raman G band of BLG can be explained in the same framework since excitonic interactions are not expected in BLG. © 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

ac gate-induced Fano resonance and peak splitting of conductance in a quantum dot

We have investigated the conductance of a quantum dot system suffering an anti-symmetric ac gate voltage which induces the transition between dot levels in the linear regime at zero temperature in the rotating wave approximation. Interesting Fano resonances appear on one side of the displaced resonant tunnelling peaks for the nonresonant case or the peak splitting for the resonant case. The line shape of conductance (vs Fermi energy) near each level of the quantum dot can be decomposed into two profiles: a Breit-Wigner peak and a Fano profile, or a Breit-Wigner peak and a dip in both cases.

Photon-assisted Fano resonance and corresponding shot noise in a quantum dot

We have studied the Fano resonance in photon-assisted transport through a quantum dot. Both the coherent current and the spectral density of shot noise have been calculated. It is predicted that the shape of the Fano profile will also appear in satellite peaks. It is found that the variations of Fano profiles with the strengths of nonresonant transmissions are not synchronous in absorption and emission sidebands. The effect of interference on photon-assisted pumped current has also been investigated. We further predict the current and spectral density of shot noise as a periodic function of the phase, which exhibits an intrinsic property of resonant and nonresonant channels in the structures.

Mesoscopic Fano effect modulated by Rashba spin-orbit coupling and external magnetic field

By employing non-equilibrium Green's function method, the mesoscopic Fano effect modulated by Rashba spin-orbit (SO) coupling and external magnetic field has been elucidated for electron transport through a hybrid system composed of a quantum dot (QD) and an Aharonov-Bohm (AB) ring. The results show that the orientation of the Fano line shape is modulated by the Rashba spin-orbit interaction k(R)L variation, which reveals that the Fano parameter q will be extended to a complex number, although the system maintains time-reversal symmetry (TRS) under the Rashba SO interaction. Furthermore, it is shown that the modulation of the external magnetic field, which is applied not only inside the frame, but also on the QD, leads to the Fano resonance split due to Zeeman effect, which indicates that the hybrid is an ideal candidate for the spin readout device. (C) 2007 Elsevier B.V All rights reserved.

Tunable Fano resonance in photonic crystal slabs

A three dimensional analysis of a special class of anisotropic materials is presented. We introduce an extension of the Scattering Matrix Method (SMM) to investigate the behavior of anisotropic Photonic Crystal Slabs (PhCS) subject to external radiation. We show how the Fano effect can play a fundamental role in the realization of tunable optical devices. Moreover, we show how to utilize electron injection, electric field and temperature as parameters to control the Fano resonance shift in both isotropic and anisotropic materials as Si and Potassium Titanium Oxide Phosphate (KTP). We will see that because Fano modes are sensitive and controllable, a broad range of applications can be considered. (c) 2006 Optical Society of America

New type of Fano resonant tunneling via Anderson impurities in superlattice

The spectrum of differential tunneling conductance in Si-doped GaAs/AlAs superlattice is measured at low electric fields. The conductance spectra feature a zero-bias peak and a low-bias dip at low temperatures. By taking into account the quantum interference between tunneling paths via superlattice miniband and via Coulomb blockade levels of impurities, we theoretically show that such a peak-dip structure is attributed to a Fano resonance where the peak always appears at the zero bias and the line shape is essentially described by a new function \xi\/\xi\+1 with the asymmetry parameter q approximate to 0. As the temperature increases, the peak-dip structure fades out due to thermal fluctuations. Good agreement between experiment and theory enables us to distinguish the zero-bias resonance from the usual Kondo resonance.

Fano effect on shot noise through a Kondo-correlated quantum dot

Transport in a semiopen Kondo- correlated quantum dot is mediated through more than one quantum state. Using the Keldysh technique and the equation of motion method, we study the shot noise S for a wide range of source- drain voltages V-sd within a model incorporating the additional states as a background continuum, demonstrating the importance of the Fano interference. In the absence of the interference, the noise is revealed to be a probe of the second moment of the local density of states, and our theory reproduces the well- known peak structure around the Kondo temperature in the S-V-sd curve. More significantly, it is found that taking account of the background transmission, the voltage dependence of the noise exhibits rich peak- dip line shapes, indicating the presence of the Fano effect. We further demonstrate that due to its two- particle nature, the noise is more sensitive to the quantum interference effect than the simple current.

PROCÉDÉ DE DÉTECTION DE BIOPRODUITS À L'AIDE D'UN DÉTECTEUR PAR RÉSONANCE PLASMONIQUE DE SURFACE LOCALISÉE DE NANOPARTICULES D'OR

L'invention porte sur un procédé consistant à détecter des bioproduits à l'aide d'une résonance plasmonique de surface localisée (LSPR) de nanoparticules d'or. Ledit procédé peut diagnostiquer des bioproduits sur la base de changements de la longueur d'onde maximale produite par une réaction antigène-anticorps après immobilisation des nanoparticules d'or sur un panneau en verre. Un détecteur utilisant un tel procédé présente une sensibilité élevée, est peu coûteux, permet un diagnostic rapide, et il peut ainsi être appliqué à divers domaines biologiques associés aux contaminants environnementaux, pathogènes et similaires, ainsi qu'au diagnostic de maladies. L'invention porte en outre sur une technologie pour fabriquer un détecteur dont la sensibilité est élevée, le prix faible et la performance rapide, par comparaison avec des procédés classiques utilisant SPR.

Études Structurales par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) du Site Actif du Ribozyme VS de Neurospora.

Nous étudions le ribozyme VS de Neurospora, en tant que système modèle, pour augmenter nos connaissances sur la relation entre la structure et la fonction chez les ARNs, ainsi que pour mieux comprendre le mécanisme de clivage de ce ribozyme. Il a été proposé précédemment que la boucle interne A730 dans la tige-boucle VI (SLVI) contient le site actif du ribozyme et lie un ou plusieurs ions métalliques qui pourraient participer au mécanisme réactionnel. Nous avons déterminé par spectroscopie RMN la structure de la tige-boucle SLVI contenant la boucle A730 afin d’éclaircir ce mécanisme. La structure obtenue est en accord avec les études biochimiques antérieures et présente un ou plusieurs sites de liaison au magnésium associé à la boucle interne. Suite à des études de cinétique et de mutagenèse, il a été proposé qu’une adénine localisée dans le site actif, A756, participe à la catalyse par acide/base générale. Des études de pH effectuées précédemment ont identifié un pKa catalytique (5.2-5.8) qui correspond probablement à l’équilibre de protonation du A756. À l’aide de méthodes utilisant le carbone-13, nous avons identifié un pKa modifié appartenant au A756, ce qui supporte le rôle de ce résidu dans la catalyse par acide/base générale. Les études structurales présentées ici aident donc à augmenter notre compréhension du mécanisme de clivage chez le ribozyme VS.

Imagerie par résonance magnétique spectroscopique et exploration neurochimique de régions cérébrales d'individus atteints d'un trouble léger de la cognition.

Introduction : Les individus présentant des troubles cognitifs légers ou Mild Cognitive Impairment (MCI) sont plus à risque de développer une maladie d’Alzheimer (MA) que le reste de la population âgée. Objectif : Cette étude repose sur le recours à un devis de type étude de cas multiples dont l’objectif est de contribuer à l’identification d’indices biologiques en quantifiant, à l’aide de la résonance magnétique spectroscopique (MRS), des changements métaboliques précoces chez les individus avec MCI, susceptibles d’évoluer vers la MA. Méthodologie : Huit individus MCI sont comparés à huit individus âgés normaux. Chaque participant est soumis à un examen MRS. Résultats : Parmi les huit participants MCI recrutés, l’un d’entre eux présente désormais un profil cognitif concordant avec une MA. L’analyse spectrale des métabolites de cet individu montre des ratios de glutamate plus élevés au niveau du cortex préfrontal gauche et de la régioncingulaire postérieure gauche. Bien qu’une diminution de NAA/Cr soit fréquemment observée chez la population MCI en voie d’évoluer vers la démence, les résultats obtenus ne démontrent rien en ce sens. Discussion/Conclusion : Le rôle du glutamate dans les processus neurodégénératifs est encore mal établi. L’augmentation de glutamate observée est contraire à la diminution habituellement observée au cours de la MA. Ces résultats sont toutefois explicables par l’existence possible d’excitotoxicité précoce chez les MCI en voie de d’évoluervers la démence. Cela pourrait aussi illustrer des mécanismes de compensation présents avant qu’un déclin cognitif ne soit objectivable.

Développement et validation de méthodes visant une utilisation optimale d'antennes réceptrices en imagerie par résonance magnétique

Différentes méthodes ayant pour objectif une utilisation optimale d'antennes radio-fréquences spécialisées en imagerie par résonance magnétique sont développées et validées. Dans un premier temps, il est démontré qu'une méthode alternative de combinaison des signaux provenant des différents canaux de réception d'un réseau d'antennes mène à une réduction significative du biais causé par la présence de bruit dans des images de diffusion, en comparaison avec la méthode de la somme-des-carrés généralement utilisée. Cette réduction du biais engendré par le bruit permet une amélioration de l'exactitude de l'estimation de différents paramètres de diffusion et de diffusion tensorielle. De plus, il est démontré que cette méthode peut être utilisée conjointement avec une acquisition régulière sans accélération, mais également en présence d'imagerie parallèle. Dans une seconde perspective, les bénéfices engendrés par l'utilisation d'une antenne d'imagerie intravasculaire sont étudiés. Suite à une étude sur fantôme, il est démontré que l'imagerie par résonance magnétique intravasculaire offre le potentiel d'améliorer significativement l'exactitude géométrique lors de mesures morphologiques vasculaires, en comparaison avec les résultats obtenus avec des antennes de surface classiques. Il est illustré qu'une exactitude géométrique comparable à celle obtenue grâce à une sonde ultrasonique intravasculaire peut être atteinte. De plus, plusieurs protocoles basés sur une acquisition de type balanced steady-state free-precession sont comparés dans le but de mettre en évidence différentes relations entre les paramètres utilisés et l'exactitude géométrique obtenue. En particulier, des dépendances entre la taille du vaisseau, le rapport signal-sur-bruit à la paroi vasculaire, la résolution spatiale et l'exactitude géométrique atteinte sont mises en évidence. Dans une même optique, il est illustré que l'utilisation d'une antenne intravasculaire permet une amélioration notable de la visualisation de la lumière d'une endoprothèse vasculaire. Lorsque utilisée conjointement avec une séquence de type balanced steady-state free-precession utilisant un angle de basculement spécialement sélectionné, l'imagerie par résonance magnétique intravasculaire permet d'éliminer complètement les limitations normalement engendrées par l'effet de blindage radio-fréquence de l'endoprothèse.