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Comment débrider des réponses optiques non linéaires quadratiques en confinant du nitrure de bore hexagonal dans le graphène

En utilisant des méthodes de la chimie quantique, une équipe de l’Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l’environnement et les matériaux (CNRS / Université de Pau et des pays de l’Adour) vient de montrer qu’en confinant des sections finies de nitrure de bore hexagonal dans le réseau interne du graphène, la capacité du réseau d'électrons pi de ce dernier conduit à l’obtention de réponses quadratiques optiques non linéaires exaltées ce qui peut être pleinement exploité dans le design et la conception de nouveaux matériaux.

Lorsqu'une molécule ou un matériau est soumis à l'influence d'un champ électrique homogène, il y répond par la création d'une polarisation. Le moment dipolaire induit créé par cette réponse modifie la structure électronique du système et est étroitement lié à l’intensité du champ. Pour des champs de faible intensité, la réponse peut être considérée comme proportionnelle au champ et le coefficient de proportionnalité est connu sous le nom de polarisabilité dipolaire électrique. Lorsque l’intensité du champ devient forte, la réponse n’est plus linéaire. Elle donne lieu à des phénomènes optiques non linéaires du second et troisième ordre dont les premiers coefficients à l’échelle microscopique sont connus sous le nom de première et seconde hyperpolarisabilités.

Les molécules et les matériaux à forts coefficients optiques non linéaires sont très recherchés car particulièrement intéressants dans le domaine de l’électronique en raison de leurs applications pour le transfert d'informations en informatique et en médecine notamment.
Le graphène a suscité ces dernières années un nombre important d’études en laboratoire. En raison de sa structure bidimensionnelle et de son réseau étendu d'électrons pi (qui induisent une polarisation très facile et très rapide du système sous l'influence d'un champ électrique), il a été envisagé comme un bon candidat pour observer des phénomènes optiques non linéaires. Jusqu’ici cependant, seules les propriétés optiques non linéaires liées aux réponses du troisième ordre ont été jugées dignes d’intérêt.

L’équipe de chimie théorique vient de prédire, grâce à des calculs quantiques, que les réponses optiques non linéaires du graphène peuvent être activées et exaltées en incorporant des ‘sections de nitrure de bore dans son réseau’. Ils ont clairement démontré par leurs calculs qu’en contrôlant la forme, la taille et la superficie du domaine (ou des domaines) h-BN de recouvrement, on peut réglementer efficacement et "à volonté" les grandeurs ainsi que les types de réponses optiques non linéaires de ce matériau. Ce type de fonctionnalisation interne est possible comme rapporté dans la revue Nature en 2010, et ouvre les portes à une nouvelle famille de graphènes- hybrides possédant des propriétés différentes de celle du graphène pur.

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© Claude Pouchan

Référence

Panaghiotis Karamanis, Nicolás Otero, Claude Pouchan

Unleashing the Quadratic Nonlinear Optical Responses of Graphene by Confining White-Graphene (h-BN) Sections in Its Framework

J. Amer. Chem. Soc. 29 avril 2014

DOI: 10.1021/ja502631w

Contacts chercheurs

Panaghiotis Karamanis, Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l’environnement et les matériaux – Pau

Courriel : panagiotis.karamanis@univ-pau.fr

Claude Pouchan, Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l’environnement et les matériaux – Pau

Courriel : claude.pouchan@cnrs-dir.fr

Tél. : 01 44 96 40 97

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken