Development of Heterodyne High Field / High Frequency Electron Paramagnetic Resonance Spectrometer at 285 GHz
Développement d'un spectromètre de Résonance Paramagnétique Electronique Haute Fréquence / Champ Magnétique Intense 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 the pulsed HF-EPR spectrometer which operates close to 285 GHz, the second experimental part applies the developed technique in the first part for studies of single molecule magnets (SMMs) and single layer of graphite (graphene). In the development part, the detailled description of the HF-EPR spectrometer is given. The existing quasi-optical bridge is used for the propagation of microwave (MW). The EPR signal is recorded by the superheterodyne detector optimised for a 283.2GHz frequency, which was implemented during this work and replaces a slow bolometeric detection suitable only for multi-frequency cw-HF-EPR. Design and construction of a Fabry-Pérot (FP) resonator necessary for enhancement of weak excitation MW power is also described in detail. The FP resonator as well as a newly developed rotating holder (described in the text) for single crystal studies was used successfully in the experimental part of the thesis focuses on HF-EPR of SMMs, especially of tetrairon(III) complexes together with observation of cyclotron resonance of decoupled graphene from natural bulk graphite.
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 le 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 amplifier le faible signal MW, est aussi détaillé. Le résonateur FP ainsi que le porte-échantillon rotatif développé spécialement pour des mono-cristaux ont pu être utilisés avec succès, en particulier dans le cas de l'étude RPE-HF de complexes tétranucléaires de fer(III) ainsi que pour l'observation de la résonance cyclotron de monocouche de graphite (graphène).