Nanosystèmes graphitiques : cavités optiques ajustables et détection spectrale des contraintes dans un nanorésonateur mécanique

Graphene and carbon nanotubes, assimilated to graphitic nano-systems, share exceptional mechanical, optical, electronic and vibrational properties. Combining low mass, high stiffness, and semi-transparent behavior, membrane of thickness about 10 to 100 layers of graphene has been suspended over a reflecting substrate, making a mechanical resonator coupled to an optical cavity. This PhD project is based on elastic and inelastic scattering of light in order to probe mechanical stress and thermal effects within such graphitic nano-systems. This experiment rests upon Raman spectroscopy, sensi- tive to optical phonons of the probed material. A first aspect of this project concerns the use of graphene based optical cavities as a fundamental element to create a hybrid system. After depositing a molecular layer on top of the membrane, we have shown enhancement of molecular Raman signal due to constructive optical interferences. We have highlighted the possibility to modulate the Raman signal spatially or electrostatic ally. A second line of this thesis is the detection of motion and mechanical stress within a graphitic resonator. Through experiences made with multilayer graphene suspended membranes, we have detected mechani- cal resonance by two means : by analyzing reflected light modulation, and by measuring membrane Raman response changes. Such detection scheme, based on the increase of mechanical stress at resonance, link the mechanical motion of the resonator, to a shift in energy of Raman scattered photons, and represents an original scheme for optomechanical coupling.Le graphène et les nanotubes de carbone, assimilés à des nano-systèmes graphitiques, partagent des propriétés mécaniques, optiques, électroniques et vibrationnelles uniques. Associant faible masse, grande rigidité et comportement semi-transparent, des membranes de 10 à 100 couches de graphène ont été suspendues au dessus d’un substrat réfléchissant, formant ainsi un résonateur mécanique couplé à une cavité optique. Le projet de cette thèse repose sur les diffusions élastiques et inélastiques de la lumière pour sonder les contraintes mécaniques et les effets thermiques dans ces nano-systèmes graphitiques. Ce type de mesure est basé sur la spectroscopie Raman, sensible aux phonons optiques du matériau sondé. Un premier aspect du présent projet de thèse porte sur l’utilisation de cavités optiques à base de graphène comme élément de base pour constituer un système hybride. Après avoir déposé une couche de molécules à la surface de ces membranes, nous avons montré que le signal Raman des molécules est exalté par un effet d’interférences optiques constructives. Nous avons mis en évidence la possibilité de moduler ce signal en se déplaçant le long de l’échantillon, ou en variant la position de la membrane à l’aide d’une actuation électrostatique. De plus, on peut observer des effets thermiques importants associés aux phénomènes d’interférences optiques dans ces membranes à base de graphène. Le second axe de cette thèse est la détection du mouvement et des contraintes mécaniques dans un résona- teur graphitique (membranes de graphène multicouche, nanotubes, etc.). Au travers d’expériences menées sur des membranes suspendues de graphène multicouche, nous avons détecté la résonance mécanique de deux façons : en analysant la modulation de la lumière réfléchie et en mesurant les variations de la réponse Raman du résonateur. Cette détection, reposant sur l’augmentation des contraintes mécaniques à réso- nance, associe le mouvement mécanique du résonateur à un décalage en énergie des photons Raman et représente un schéma original de couplage optomécanique