Etude optique de la dynamique des interactions électroniques dans des nanotubes de carbone

This manuscript presents an experimental study of electronic properties of carbon nanotubes by photoluminescence spectroscopy techniques. The protocol of preparation and characterisation of luminescent samples, where nanotubes are properly isolated from each other, is first described,. Embedded in a gel, they can resist to temperatures down to 10 K. The first results concern stationnary photoluminescence spectroscopy. Performed on macroscopic ensembles of nanotubes, measurements lead to a precise determination of the chiralities and reveal several effects due to the coupling between nanotubes and their environment. To avoid inhomogeneity, luminescence spectroscopy is also conducted on a single carbon nanotube, revaling typical behaviour as narrow linewidth (1 meV at 10 K), spectral wandering and blinking at the second scale. The other part of that study is dedicated to time-resolved photoluminescence spectroscopy. It reveals the recombination dynamics of the elementary excitations (excitons) in (9,4) and (10,2) chiralities. The temperature behaviour of the photoluminescence lifetime and intensity gives an insight on the structure and coupling of excitonic states in semiconducting carbon nanotubes.Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale des propriétés électroniques des nanotubes de carbone par des techniques de spectroscopie de photoluminescence. Le travail a d'abord consisté en la préparation et la caractérisation d'échantillons de nanotubes de carbone isolés les uns des autres dans une suspension de surfactant. Ils présentent alors de la luminescence. Intégrés ensuite dans un gel, ils sont adaptés aux températures entre 10 et 300 K. Le premier volet d'expériences a concerné la spectroscopie de luminescence en régime stationnaire. Les mesures sur des ensembles macroscopiques permettent d'identifier les classes de chiralité présentes et mettent en évidence divers phénomènes de couplage des nanotubes entre eux et à leur environnement. Grâce à un montage de microscopie confocale, on a en outre étudié la luminescence d'un nanotube unique. On s'affranchit ainsi de l'inhomogénéité de l'échantillon, comme le montrent les faibles largeurs de raies (moins de 1 meV à 10 K) et les phénomènes de diffusion spectrale et de clignotement observés à l'échelle de la seconde. Le second volet d'expériences est consacré à la spectroscopie de photoluminescence résolue en temps à l'échelle picoseconde, sur des ensembles de nanotubes. On mesure la dynamique de recombinaison des excitations élémentaires (excitons), sur 3 ordres de grandeur de variation, dans les chiralités (9,4) et (10,2). L'évolution du temps de vie (300 ps à 10 K, 50 ps à 300 K) et de l'intensité de la luminescence (présentant un maximum à 50 K) donne des informations sur la structure des états excitoniques. On estime en particulier qu'il existe un niveau noir 4 meV en dessous de l'état luminescent