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Nanofils extrêmes

Permanents impliqués : Eric Faulques

Les matériaux confinés et nanostructurés de très faibles dimensions radiales présentent des structures et propriétés Illustration2 5électroniques considérablement modifiées par rapport à celles de leurs formes cristallines mas-sives. De larges perspectives sont ouvertes pour leur applica-tion dans l'optoélectronique, la spintronique, et les cellules solai-res. La fabrication et la caractéri-sation de ces objets quantiques de taille nanométrique posent plusieurs défis chimiques et physiques. La coordination ato-mique et la liaison des atomes de surface diffèrent sensiblement de celles des matériaux massifs correspondants. Les caractéristi-ques spectroscopiques usuelles des matériaux génériques massifs - émission de lumière et spectres d'absorption, ou fré-quences vibratoires, ne peuvent être utilisées pour la caractéri-sation des objets de faible dimension car les effets de confinement quantique changent radicalement la structure de bande électronique et les types d’excitations élémentaires.

Mots-clés : Nanofil, unidimensionnel, cristal confiné

Liens
[IMN] : https://www.cnrs-imn.fr/index.php
[Raman] : https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.98.125429

Collaborations :
Prof. Victor Genchev Ivanov, Prof. Miroslav Abrashev, Dr. Neno Todorov, Department of Condensed Matter Physics, University of Sofia (Bulgaria)
Prof. Jeremy Sloan, Team Leader, Department of Physics, University of Warwick (UK)
Dr. N. Kalashnyk


Plus généralement, en sus d’espèces moléculaires, de clusters, de fullerènes, des nano-rubans de graphène et de formes élémentaires, de nombreux cristaux binaires ont été encapsulés dans des nanotubes de carbone comme des oxydes, des hydroxydes, des halogénures métalliques et des chalcogénures.

En collaboration avec l'équipe de Warwick, nous avons effectué le remplissage de nanotubes de carbone à simple paroi (SWNT) avec des cristaux binaires de KI et HgTe par infiltration à l'état fondu. La microscopie électronique à transmission haute résolution révèle que la structure cristalline de ces objets appartient au groupe d’espace linéaire 3D tetragonal n ° 29 (« rod group » : p42/m).

Les expériences de diffusion Raman réalisées à l'Université de Southampton et à l’IMN sur ces nanotubes remplis montrent l'apparition de nouveaux modes vibratoires dans la région des basses fréquences et des changements de position spectrale de la bande graphitique G vers 1580 cm-1 due aux vibrations planaires des atomes de carbone. Ces modifications peuvent être attribuées à des vibrations spécifiques des cristaux linéaires encapsulés et à leur interaction avec les parois des nanotubes.

Enfin, les structures modèles relaxées de nanocristaux 1D isolés d’environ 1 nm de diamètre ont été déterminées par des calculs DFT périodiques à l’IMN. Pour HgTe 1D (HgTe@SWNT), les calculs électroniques montrent l'ouverture d'une bande d’énergie interdite d’environ 1,35 eV contrastant avec la structure de bande semi-metallique de l'isolant topologique 3D massif HgTe. En outre, les fréquences vibrationnelles calculées par DFT sont en bon accord avec celles des spectres Raman expérimentaux.

Ces études démontrent que des nanofils cristallins 1D stables avec des propriétés électroniques et vibratoires remarquables peuvent être obtenus à l'intérieur de SWNTs de petit diamètre. De tels nanocomposites sont extrêmement prometteurs pour des applications nanoélectroniques comme les nano-jonctions p-n et la spintronique. Des études expérimentales et théoriques sont prévues pour d'autres chalcogénures binaires en collaboration avec le Département de physique de la matière condensée de l’Université de Sofia (Bulgarie).

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Figure 1. Left panel: Ball-and-stick model of an HgTe extreme nanowire encapsulated in a SWNT of 1 nm diameter. The 1D crystal can be detected with Raman spectroscopy and gives two experimental Raman modes at 47 and 51 cm-1 stemming from radial vibrations (lexc = 1.76 eV). Right panel: DFT calculations of the HgTe nanowire: optimized structure (top), absorption spectra, and electronic band structure using CASTEP.
Financement

two-year joint Project Hubert Curien RILA 2017-2018, #38661ZF “Electronic and optical properties of extreme nanowires” funded by French Ministry of Foreign Affairs and International Development (MAEDI), French MENESR, and the Bulgarian Ministry of Education and Science.

Contact

Eric Faulques (DR)

Collaborations
  • Prof. Victor Genchev Ivanov, Prof. Miroslav Abrashev, Dr. Neno Todorov, Department of Condensed Matter Physics, University of Sofia (Bulgaria)
  • Prof. Jeremy Sloan, Team Leader, Department of Physics, University of Warwick (UK)
  • Prof. D. C. Smith, School of Physics and Astronomy, University of Southampton (UK)

Students (2017) : M. Nicolas, V. Villory

 

Publications

High-precision imaging of an encapsulated Lindqvist Ion and correlation of its structure and symmetry with quantum chemical calculations
E.Bichoutskaia, Z. Liu, N. Kuganathan, E. Faulques, K.Suenaga, I.J. Shannon, J. Sloan, Nanoscale 4, 1190 (2012).

Aberration corrected imaging of a carbon nanotube encapsulated Lindqvist Ion and correlation with Density Functional Theory
J Sloan, E Bichoutskaia, Z Liu, N Kuganathan1, E Faulques, K Suenaga, I J Shannon, J of Phys.:Conf. Ser. 371, 012018 (2012).

Raman spectroscopy of optical transitions and vibrational energies of 1nm HgTe extreme nanowires within single walled carbon nanotubes
J.H. Spencer, J. M. Nesbitt, H. Trewhitt, R. J. Kashtiban, G. Bell, V. G. Ivanov, E. Faulques, J. Sloan, D. C. Smith, ACS Nano 9, 9044-9052 (2014).

A new method for controlling the quantized growth of dendritic nanoscale point contacts via switchover and shell effects
A. P. Pospelov, A. I. Pilipenko, G. V. Kamarchuk, V. V. Fisun, I. K. Yanson, and E. Faulques, J. Phys.Chem. C 119, 632-639 (2015).

Dynamics of charge migration in poly(para phenylene vinylene) films and nanocomposites with single walled carbon nanotubes
E. Mulazzi, D. E. Galli, F. Massuyeau, S. Lefrant, J. Wéry, E. Faulques, J. Phys. Cond. Mat. 28, 045304, (2016).

Resonance Raman Spectroscopy of Extreme Nanowires and other 1D systems
Smith, D. C; Spencer, J.H ; Sloan, J.; McDonnell,L. P; Faulques, E., J. Vis. Exp. 110, e53434 (2016). DOI: 10.3791/53434 Open.

Related Conferences
  • Key note lecture: E. Faulques, University of Warwick, September 2017, UK
  • Invited: E. Faulques, Functional nanowires, Global Congress & Expo on Materials Science & Nanoscience, October 24-26, 2016 Dubai, UAE
  • Invited : J. Sloan et al, E. Faulques, Extreme nanowires: the smallest crystals in the smallest nanotubes, European Microscopy Congress 2016, Lyon
  • Invited : V. G. Ivanov, D. C. Smith, J. Sloan and E. Faulques, Crystallography and Raman-Spectroscopy Markers for 1-D Nanorods Encapsulated in Single-Wall Carbon Nanotubes, INERA Conference 2015: Light in Nanoscience and Nanotechnology (LNN 2015), 20-22 October, Hissar, Bulgaria.
  • Invited: E. Faulques, Studies of crystalline nanowires grown inside carbon nanotubes, ISSMD-3, 5-7 February 2015, Chennai, India
  • Invited:E. Faulques, Modelling carbon-nanotube confined nanomaterials, NanoTec14, Bruxelles, 20-23 August 2014, Brussels, Belgium
  • Invited : E. Faulques, Hybrid nanowires and nanofibrils, Nanobiophysics : Fundamental and Applied Aspects, 7-10 October 2013, Kharkov, Ukraine
  • Invited : E. Faulques, Functional hybrid nanofibers based on carbon nanotubes, International Conference on Optoelectronic Materials and Devices, Qingdao University, 26-28 October 2012, Qingdao, China
  • Oral talk:E. Faulques, Modelling the encapsulation of alkali iodides in single-walled carbon nanotubes, International Conference on Nanoscience + Technology 2012, 23-27 July 2012, Paris

 

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