Light Emission in Silicon from Carbon Nanotubes

The use of optics in microelectronic circuits to overcome the limitation of metallic interconnects is more and more considered as a viable solution. Among future silicon compatible materials, carbon nanotubes are promising candidates thanks to their ability to emit, modulate and detect light in the wavelength range of silicon transparency. We report the first integration of carbon nanotubes with silicon waveguides, successfully coupling their emission and absorption properties. A complete study of this coupling between carbon nanotubes and silicon waveguides was carried out, which led to the demonstration of the temperature-independent emission from carbon nanotubes in silicon at a wavelength of 1.3 {\mu}m. This represents the first milestone in the development of photonics based on carbon nanotubes on silicon

Quantum capacitance governs electrolyte conductivity in carbon nanotubes

In recent experiments, unprecedentedly large values for the conductivity of electrolytes through carbon nanotubes (CNTs) have been measured, possibly owing to flow slip and a high pore surface charge density whose origin is still unknown. By accounting for the coupling between the {quantum} CNT and the {classical} electrolyte-filled pore capacitances, we study the case where a gate voltage is applied to the CNT. The computed surface charge and conductivity dependence on reservoir salt concentration and gate voltage are intimately connected to the CNT electronic density of states. This approach provides key insight into why metallic CNTs have larger conductivities than semi-conducting ones

Layering transitions in superfluid helium adsorbed on a carbon nanotube mechanical resonator

Helium is recognized as a model system for the study of phase transitions. Of particular interest is the superfluid phase in two dimensions. We report measurements on superfluid helium films adsorbed on the surface of a suspended carbon nanotube. We measure the mechanical vibrations of the nanotube to probe the adsorbed helium film. We demonstrate the formation of helium layers up to five atoms thickness. Upon increasing the vapour pressure, we observe layer-by-layer growth with discontinuities in both the number of adsorbed atoms and the speed of sound in the adsorbed film. These hitherto unobserved discontinuities point to a series of first-order layering transitions. Our results show that helium multilayers adsorbed on a nanotube are of unprecedented quality compared to previous works. They pave the way to new studies of quantized superfluid vortex dynamics on cylindrical surfaces, of the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless phase transition in this new geometry, perhaps also to supersolidity in crystalline single layers as predicted in quantum Monte Carlo calculations.Comment: 10 pages, 3 figure

Quantifying the performances of SU-8 microfluidic devices: high liquid water tightness, long-term stability, and vacuum compatibility

Despite several decades of development, microfluidics lacks a sealing material that can be readily fabricated, leak-tight under high liquid water pressure, stable over a long time, and vacuum compatible. In this paper, we report the performances of a micro-scale processable sealing material for nanofluidic/microfluidics chip fabrication, which enables us to achieve all these requirements. We observed that micrometric walls made of SU-8 photoresist, whose thickness can be as low as 35 $\mu$m, exhibit water pressure leak-tightness from 1.5 bar up to 5.5 bar, no water porosity even after 2 months of aging, and are able to sustain under $10^{-5}$ mbar vacuum. This sealing material is therefore reliable and versatile for building microchips, part of which must be isolated from liquid water under pressure or vacuum. Moreover, the fabrication process we propose does not require the use of aggressive chemicals or high-temperature or high-energy plasma treatment. It thus opens a new perspective to seal microchips where delicate surfaces such as nanomaterials are present

00 [Material gráfico]

Copia digital. Madrid : Ministerio de Educación, Cultura y Deporte, 201

Photonique hybride des nanotubes de carbone

On-chip optical communication may increase drastically performances and consumption of communication systems. Indeed, optical channels do not face limitations that metallics interconnects do. Even better would be the achievable data rate due to the multiplexing possibility in optics. In order to keep compatibility with electronic devices, optical components and interconnects should be built in silicon. However, this material is not suitable for some optical function, such as laser sources. Thus, there is a need to integrate alternative materials to compensate for silicon weaknesses. My PhD work focuses on integration of carbon nanotube on silicon for photonics applications. In this work, potential use of carbon nanotube for light emission function is investigated. First, I will propose clue to understand the appearance of optical gain in semiconducting carbon nanotube. Such investigation is done by mean of pump-probe experiments, where the excitons lifetimes are measured. Those lifetimes slightly increase while centrifugation time and speed is increased, during the extraction process. A possible explanation is that defect-free carbon nanotubes are selected by the centrifugation process. In parallel, I worked on designing an efficient method to couple nanotubes photoluminescence with silicon waveguides. This method appears to be quite robust, and allows to observe coupling between the nanotube photoluminescence and the optical mode of the waveguide. In order to obtain a more intense interaction between the optical mode and carbon nanotubes, I investigated the coupling between carbon nanotubes and several photonic cavities, including microdisks, Fabry-Pérot cavities and ring resonators. Specifically, ring resonators allow to measure the photoluminescence of carbon nanotube structured by the resonant modes. Several configurations are studied to understand more in-depth the coupling mechanisms: micro-photoluminescence, guided photoluminescence and integrated photoluminescence.L’intégration des communications optiques sur puce offre de vastes promesses en termes de performances et de réduction de la puissance consommée, les canaux optiques ne souffrant pas des nombreuses limitations des canaux métalliques. De plus, l’information codée optiquement permet d’atteindre des débits de données élevés par le biais du multiplexage en longueur d’onde. Afin de conserver la compatibilité avec les composants électroniques, les communications et composants optiques doivent s’intégrer dans la filière silicium. Cependant, ce dernier matériau ne permet pas d’envisager la réalisation de certaines fonctions optiques, en particulier la source laser. D’autres matériaux doivent ainsi être intégrés pour suppléer au silicium. Mes travaux de thèse portent sur l’intégration de nanotubes de carbone sur plate-forme silicium pour la photonique. Dans ces travaux, le potentiel des nanotubes de carbone pour la réalisation de sources optiques intégrées est exploré. Dans un premier temps, je proposerai des pistes de compréhension de l’apparition du gain optique dans les nanotubes de carbone semiconducteurs par analyse des temps de vie des excitons, mesurés en spectroscopie pompe-sonde. Ces temps de vie sont sensiblement rallongés lorsque la centrifugation des nanotubes de carbone, au cours de l’extraction, est poussée à des vélocités et des temps plus longs. Une explication envisagée est la réduction du nombre de défauts à la surface des nanotubes, ces défauts se comportant comme des centres de recombinaison non-radiatifs. D’autre part, une méthode efficace d’intégration des nanotubes de carbone sur guide d’onde silicium a été proposée. Cette méthode robuste et permet d’observer le couplage de la photoluminescence des nanotubes de carbone avec le mode optique du guide d’onde. Afin d’obtenir une interaction exaltée entre mode optique et nanotube de carbone, le couplage entre les nanotubes et différentes cavités photoniques, incluant microdisques, cavités Fabry-Pérot et micro-résonateurs en anneau, a été étudié. L’emploi en particulier de résonateurs en anneau permet d’observer la structuration de la photoluminescence des nanotubes de carbone par les modes de résonance de l’anneau. Différentes configurations ont été étudiées afin de compléter la compréhension des mécanismes de couplage : micro-photoluminescence, photoluminescence guidée et photoluminescence intégrée

Carbon nanotube hybrid photonic

L’intégration des communications optiques sur puce offre de vastes promesses en termes de performances et de réduction de la puissance consommée, les canaux optiques ne souffrant pas des nombreuses limitations des canaux métalliques. De plus, l’information codée optiquement permet d’atteindre des débits de données élevés par le biais du multiplexage en longueur d’onde. Afin de conserver la compatibilité avec les composants électroniques, les communications et composants optiques doivent s’intégrer dans la filière silicium. Cependant, ce dernier matériau ne permet pas d’envisager la réalisation de certaines fonctions optiques, en particulier la source laser. D’autres matériaux doivent ainsi être intégrés pour suppléer au silicium. Mes travaux de thèse portent sur l’intégration de nanotubes de carbone sur plate-forme silicium pour la photonique. Dans ces travaux, le potentiel des nanotubes de carbone pour la réalisation de sources optiques intégrées est exploré. Dans un premier temps, je proposerai des pistes de compréhension de l’apparition du gain optique dans les nanotubes de carbone semiconducteurs par analyse des temps de vie des excitons, mesurés en spectroscopie pompe-sonde. Ces temps de vie sont sensiblement rallongés lorsque la centrifugation des nanotubes de carbone, au cours de l’extraction, est poussée à des vélocités et des temps plus longs. Une explication envisagée est la réduction du nombre de défauts à la surface des nanotubes, ces défauts se comportant comme des centres de recombinaison non-radiatifs. D’autre part, une méthode efficace d’intégration des nanotubes de carbone sur guide d’onde silicium a été proposée. Cette méthode robuste et permet d’observer le couplage de la photoluminescence des nanotubes de carbone avec le mode optique du guide d’onde. Afin d’obtenir une interaction exaltée entre mode optique et nanotube de carbone, le couplage entre les nanotubes et différentes cavités photoniques, incluant microdisques, cavités Fabry-Pérot et micro-résonateurs en anneau, a été étudié. L’emploi en particulier de résonateurs en anneau permet d’observer la structuration de la photoluminescence des nanotubes de carbone par les modes de résonance de l’anneau. Différentes configurations ont été étudiées afin de compléter la compréhension des mécanismes de couplage : micro-photoluminescence, photoluminescence guidée et photoluminescence intégrée.On-chip optical communication may increase drastically performances and consumption of communication systems. Indeed, optical channels do not face limitations that metallics interconnects do. Even better would be the achievable data rate due to the multiplexing possibility in optics. In order to keep compatibility with electronic devices, optical components and interconnects should be built in silicon. However, this material is not suitable for some optical function, such as laser sources. Thus, there is a need to integrate alternative materials to compensate for silicon weaknesses. My PhD work focuses on integration of carbon nanotube on silicon for photonics applications. In this work, potential use of carbon nanotube for light emission function is investigated. First, I will propose clue to understand the appearance of optical gain in semiconducting carbon nanotube. Such investigation is done by mean of pump-probe experiments, where the excitons lifetimes are measured. Those lifetimes slightly increase while centrifugation time and speed is increased, during the extraction process. A possible explanation is that defect-free carbon nanotubes are selected by the centrifugation process. In parallel, I worked on designing an efficient method to couple nanotubes photoluminescence with silicon waveguides. This method appears to be quite robust, and allows to observe coupling between the nanotube photoluminescence and the optical mode of the waveguide. In order to obtain a more intense interaction between the optical mode and carbon nanotubes, I investigated the coupling between carbon nanotubes and several photonic cavities, including microdisks, Fabry-Pérot cavities and ring resonators. Specifically, ring resonators allow to measure the photoluminescence of carbon nanotube structured by the resonant modes. Several configurations are studied to understand more in-depth the coupling mechanisms: micro-photoluminescence, guided photoluminescence and integrated photoluminescence