Development of Heterodyne High Field / High Frequency Electron Paramagnetic Resonance Spectrometer at 285 GHz
Développement d'un Spectromètre de Résonance Paramagnétique Electronique Haute Fréquence / Haut Champ Hétérodyne fonctionnant autour de 285 GHz
Résumé
The thesis is devoted to an extension of the existing continuous wave high frequency electron paramagnetic resonance (cw-HF-EPR) spectrometer in order to work in a pulsed mode. The thesis is split into two parts. Whereas the first part is devoted to our attempt to develop a pulsed HF-EPR spectrometer which operates close to 285 GHz, the second experimental part illustrates the application of the technical developments presented in the first part to the study of single molecule magnets (SMMs) and of single layers of graphite (graphene). In the development part, a detailed description of the HF-EPR spectrometer is given together with the basis of Quasi-Optical propagation. This theoretical summary is then applied to the existing quasi-optical bridge for the propagation of microwave (MW) and to the building up of a Fabry-Pérot resonator. The EPR signal is recorded by a superheterodyne detector optimised for a 283.2 GHz frequency, which was implemented during this work and replaces a slow bolometeric detection suitable only for multi-frequency cw-HF-EPR. The design and construction of a Fabry-Pérot (FP) resonator, necessary to enhance the MW excitation power, are also described in detail together with a newly developed rotating holder for single crystal studies. These two new devices were then successfully applied in the experimental part of the thesis (two chapters). First, a complete study of tetrairon(III) Single-Molecule Magnets was performed. After a powder study, a single crystal study performed with the rotating sample holder allowed obtaining refined parameters for the magnetic anisotropy, which are necessary for a deeper understanding of the relaxation processes. The second experimental chapter is devoted to graphene (2D crystal). In this chapter, the high performance of the Fabry-Pérot cavity led to the observation of outstanding quality of graphene expressed by a charge carrier mobility exceeding 10^7 cm^2/(V.s).
Le travail de cette thèse concerne le développement d'un spectromètre de résonance paramagnétique électronique haute fréquence en mode continu (RPE-HF en mode continu) existant au laboratoire pour l'utiliser en mode pulsé. Cette thèse est divisée en deux parties : la première, technique, décrit les essais entrepris pour développer un spectromètre RPE-HF opérant a 285GHz en mode pulsé ; la seconde, expérimentale, a permis d'appliquer cet outil pour l'étude de molécules aimants (SMMs) et de monocouches de graphite (graphène). La partie dédiée au développement donne une description détaillée du spectromètre RPE-HF : le pont « quasi-optique » déjà existant est utilisé pour la propagation des micro-ondes (MW) et le signal RPE est enregistré par le détecteur superhétérodyne optimisé pour une fréquence de 283.2GHz, utilisé en remplacement du bolomètre valable uniquement pour des mesures multifréquences en mode continu. La conception et la construction d'un résonateur Fabry-Pérot (FP), nécessaire pour augmenter la puissance d'excitation MW, sont aussi décrites en détail ainsi que le porte-échantillon tournant nouvellement développé pour l'étude des monocristaux. Ces deux nouveaux systèmes ont ensuite été utilisés avec succès dans la partie expérimentale de cette thèse (deux chapitres). D'abord, une étude complète de molécules-aimants de tétrafer(III) a été réalisée. Après une étude sur poudre, celle sur monocristal réalisée avec le porte-échantillon tournant a permis d'obtenir des paramètres plus précis pour l'anisotropie magnétique des complexes, ce qui est nécessaire pour mieux comprendre les processus de relaxation. Le second chapitre expérimental est dédié au graphène (cristal 2D). Dans ce chapitre, la haute performance de la cavité Fabry-Pérot a permis la mise en évidence de graphène de qualité exceptionnelle caractérisé par une mobilité des porteurs de charge dépassant 10^7 cm^2/(V.s).