Projet ANR-12-JS10-0001 – QuanDoGra : Interaction entre des boîtes quantiques semiconductrices individuelles et un monofeuillet de graphène : études optiques et contrôle électronique du transfert d’énergie et de charge.
Programme : JCJC - SIMI 10 - Nanosciences (JCJC SIMI 10) 2012
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Stéphane BERCIAUD (Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg)
Partenaires : Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg
Montant : 245989.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 36 mois
Résumé : Les propriétés d’émission d’un système quantique sont fortement modifiées au voisinage d’une interface. Ces phénomènes, qui ont fait l’objet de nombreuses études depuis les années 1960, revêtent une importance particulière dans les systèmes nanostructurés, où les effets de taille, de forme, la chimie de surface et l’environnement local régissent les propriétés physiques. L’exemple d’un atome, molécule ou boîte quantique unique au voisinage d’une surface métallique est un cas d’école. Dans cette situation, un transfert résonant d’énergie ou un transfert de charge photoinduit sont susceptibles de se produire de l’émetteur (donneur) vers le métal (accepteur). Ces processus, qui impliquent tous deux un couple donneur-accepteur, peuvent avoir des répercutions positives ou, au contraire, être néfastes en vue d’applications en nanophotonique, optoélectronique, et photovoltaïque. A ce titre, le transfert d’énergie et de charge nécessitent des études fondamentales quantitatives, mais aussi des expériences dans des dispositifs prototypes. 
Le projet QuanDoGra propose un ensemble d’expériences originales dont l’objectif est d’étudier le transfert d’énergie et de charge entre des boîtes quantiques semiconductrices colloïdales (BQC) et des monocouches de graphène. Ces deux nano-matériaux comptent parmi les plus adaptés en vue d’applications industrielles. Le graphène est un semi-métal d’épaisseur mono-atomique, constitué d’un réseau hexagonal d’atomes de carbone sp2. Cet excellent conducteur, qui est néanmoins quasi-transparent sur l’ensemble du spectre optique, constitue une électrode transparente idéale. Les boîtes quantiques colloïdales absorbent sur une large gamme spectrale et leurs propriétés optiques sont accordables en fonction de leur taille. Elles sont ainsi particulièrement prometteuses en tant que milieu actif pour de nouvelles générations de cellules solaires, de photodecteurs, de diodes électroluminescentes et de lasers.
Nous étudierons ces boîtes quantiques en tant que système « 0D » absorbant et donneur d’énergie et/ou de charge, tandis que le graphène sera utilisé en tant qu’accepteur bidimensionnel. Nous étudierons en détails les modifications de l’émission de boîtes quantiques individuelles physisorbées sur du graphène afin d’élucider les conséquences du transfert d’énergie et de charge  au sein du système BQC-graphène. Parmi les nombreuses architectures possibles de BQC, nous sélectionnerons  des structures cœur/coquille, qui favorisent le transfert d’énergie par rapport au transfert de charge, et des structures « cœur seul » qui facilitent le transfert de charge. A partir de BQC cœur-coquille, nous ambitionnons de réaliser des mesures de distances nanométriques (« molecular rulers ») en calibrant le taux transfert d’énergie en fonction de la distance BQC-graphène. Avec des BQC « cœur seul », nous analyserons également la possibilité d’une séparation de charge photoinduite assistée par le graphène. Par la suite, nous nous efforcerons d’intégrer des BQC dans des transistors au graphène avec une grille transparente « par le haut ». Ces dispositifs permettent de contrôler très efficacement le niveau de Fermi du graphène et par conséquent, l’interaction avec les BQC. Tout d’abord, nous chercherons à contrôler électriquement le taux de transfert d’énergie, et par conséquent l’émission d’une BQC unique. Par la suite, nous étudierons la réponse photoinduite du dispositif hybride BQC-graphene. Cet aspect est particulièrement important en vue d’applications photovoltaïques.