Single Graphene Quantum Dots in a molecular crystal

Les boîtes quantiques de graphène (abrégé GQD en anglais) sont des objets nanométriques composés de centaines d'atomes de carbone. Ces nouveaux émetteurs quantiques fonctionnent dans le visible et sont très prometteurs pour des applications en optoélectronique, biodétection et technologies quantiques. Leur synthèse par chimie ascendante permet un contrôle précis de la forme et de la taille des GQD, nous permettant ainsi d'explorer l'influence de leur structure sur leurs propriétés optiques et électroniques. Récemment, une nouvelle famille de GQD en forme de bâtonnet a été synthétisée par chimie ascendante. Cette famille contient quatre molécules distinctes : C₇₈-tBu₆, C₉₆-tBu₈, C₁₁₄-tBu₁₀ et C₁₃₂-tBu₁₂. Des études antérieures se sont concentrées sur les propriétés optiques du C96-tBu8 à l'échelle de la molécule unique. Cette thèse s'appuie sur ces travaux antérieurs en déplaçant l'attention du C₉₆-tBu₈ vers le C₁₁₄-tBu₁₀. La première partie de cette thèse présente l'étude de la PL à l'échelle d'une molécule unique de C₁₁₄-tBu₁₀ enrobé dans une matrice de polystyrène. Cette étude montre que le C₁₁₄-tBu₁₀ est une source de photons uniques stable et brillante à température ambiante. Malgré le succès de l'utilisation du polystyrène pour l'enrobage du C₁₁₄-tBu₁₀, les inconvénients de la matrice de polystyrène sont mis en évidence. Premièrement, l'intensité d'émission des molécules de C₁₁₄-tBu₁₀ enrobées dans le polystyrène diminue avec la baisse de pression. Deuxièmement, la largeur de raie spectrale des molécules enrobées dans le polystyrène est supérieure de quelques ordres de grandeur à la largeur de raie limitée par la durée de vie de molécule à température cryogénique. Cet élargissement est principalement dû au couplage des états électroniques du GQD avec les modes de vibration de la matrice hôte. Par conséquent, il est crucial d'utiliser une matrice hôte autre que le polystyrène pour obtenir la largeur de raie limitée par la durée de vie de la molécule de C₁₁₄-tBu₁₀. Notre objectif actuel est d'identifier un nouvel environnement hôte permettant aux molécules de C₁₁₄-tBu₁₀ de se découpler complètement de leur hôte. Les recherches menées en optique quantique indiquent qu'à température cryogénique, diverses combinaisons molécule-hôte permettent aux molécules de se découpler efficacement au sein des cristaux. Par conséquent, la deuxième partie de cette thèse se concentre sur l'étude PL du C₁₁₄-tBu₁₀ dans des cristaux moléculaires constitués de dendrimère C₇₈. La synthèse et la caractérisation de ces cristaux moléculaires originaux, ainsi que le protocole d'intégration de la molécule C₁₁₄-tBu₁₀, sont présentés. Les résultats des expériences PL à température ambiante montrent une influence intéressante des cristaux C₇₈d sur la durée de vie d'une molécule unique de C₁₁₄-tBu₁₀. À température cryogénique, les modes vibrationnels de la molécule C₁₁₄-tBu₁₀ sont détectés et présentent une bonne concordance avec le calcul TDDFT. En particulier, la largeur de raie d'une seule molécule C₁₁₄-tBu₁₀ dans des cristaux C₇₈d mesurée à température cryogénique atteint la résolution du spectromètre.