Le graphène, matériau bidimensionnel composé d'atomes de carbone, possède des propriétés mécaniques et électroniques remarquables qui sont exploitées notamment pour renforcer des matériaux composites ou stocker de l'énergie électrique. Si l'on réduit la taille du plan de graphène à l'échelle nanométrique, de nouvelles propriétés liées au confinement des électrons (boîtes quantiques) peuvent apparaître.
Pour fabriquer des nanoparticules de graphène de tailles calibrées, deux voies sont possibles : la découpe mécanique des feuillets ou la synthèse chimique. La seconde voie offre l'avantage de permettre un contrôle de la morphologie de la particule à l'atome près et l'ajout de fonctions chimiques. Elle a conduit à des progrès significatifs dans la réalisation de boîtes quantiques de graphène (graphene quantum dots ou GQD) et leur description théorique.
Dans une étude précédente, une équipe de l'Iramis (Nimbe) a montré que des nanoparticules de graphène de forme triangulaire contenant 96 atomes de carbone présentent des propriétés d'émission de photons uniques à température ambiante ainsi qu'à basse température. Cependant, l'étude des propriétés optiques des GQD est rendue difficile par leur faible solubilité, décroissante avec leur taille.
Solubles et dispersables
Pour aller plus loin, ces chercheurs ont développé, en collaboration avec l'ENS Paris-Saclay, l'Université de Mons (Belgique) et l'Université de Varsovie (Pologne), une famille de nanoparticules de graphène allongées, comportant 78, 96, 114 et 132 atomes de carbone.
Grâce à une ingénierie chimique efficace, ces particules se distinguent par une solubilité élevée. Elles sont dispersables individuellement en solution ou à l'état solide dans une matrice polymère, à l'état solide (sauf pour la particule la plus petite), ce qui permet de les manipuler aisément et de comparer très précisément leurs propriétés avec les prédictions théoriques.
Résultat : elles présentent une émission dans le rouge et le proche infrarouge avec des rendements de photoluminescence de 90-95 %, encore jamais obtenus. Leurs propriétés optiques sont en bon accord avec les calculs ab initio réalisés par TDDFT (Time-Dependent Density Functional Theory).
Ces travaux ouvrent la voie à l'utilisation des GQD comme émetteurs de photons uniques ou capteurs pour les technologies quantiques.