Institut des
NanoSciences de Paris
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Soutenance de thèse d’Audrey Chu - Vendredi 2 juillet 2021 à 14 h

Audrey Chu, doctorants dans l’équipe Physico-chimie et dynamique des surfaces soutient sa thèse le vendredi 2 juillet 2021 à 14 h.

Sorbonne Université - Campus Pierre et Marie Curie - Paris, France - Amphithéâtre Charpak

Couplage lumière-matière au sein de détecteurs infrarouges à base de nanocristaux colloïdaux

JPEG Left : schematic of a film of nanocrystals onto conventional and nanostructured electrodes. Right : absorption spectra of a film of nanocrystal, with and without nanoresonators.

Résumé

Les nanocristaux colloïdaux sont des nanoparticules dont la croissance se fait en solution. Lorsque la taille de ceux-ci est suffisamment faible, des effets de confinement quantique apparaissent et leurs propriétés optiques deviennent ajustables avec leur taille. Ces nanocristaux sont en particulier utilisés pour leur luminescence dans le visible mais peuvent aussi être utilisés pour réaliser de la photodétection dans la gamme infrarouge. Les nanocristaux de HgTe et PbS présentent des propriétés d’absorption dans l’infrarouge. Le mécanisme de transport au sein d’un film de nanocristaux induit leur utilisation sous forme de couches minces, réduisant l’absorption et conduisant à des performances modestes. L’objectif de mon doctorat est d’augmenter le couplage lumière-matière au sein de film de nanocristaux afin d’augmenter l’absorption et donc la réponse. En particulier je démontrerai la possibilité de nanostructurer les électrodes afin d’induire des résonances de modes guidés pour des films de nanocristaux. L’utilisation de ces nanoélectrodes induit une augmentation de la réponse de deux à trois ordres de grandeur grâce à une augmentation de l’absorption et du gain photoconducteur. L’utilisation de telles résonances est une méthode versatile puisqu’elle peut être appliquée à différents matériaux, à différentes longueurs d’onde et pour différentes géométries. Enfin dans une dernière partie je présenterai un dispositif permettant d’exalter les propriétés de transport au sein d’un film de nanocristaux. Ce dispositif atteint une détectivité de 1012 Jones à 2.5 µm, 1 V et à 200 K, ce qui est comparable avec des détecteurs conventionnels.

Light-matter coupling in nanocrystal-based infrared detectors

Abstract

Colloidal nanocrystals are nanoparticles grown in solution. When their dimension is reduced below the Bohr radius, quantum confinement appears : optical properties depend on the size of the crystal. These nanocrystals are currently used for their visible emission properties but can also be applied for infrared photodetection. Mercury and lead chalcogenide (and in particular HgTe and PbS) absorb in the infrared. The hopping transport associated with nanocrystal array induced the use of thin film. The absorption of such film remains low and so does their performance. My work consists in induce light-matter coupling within a nanocrystal array in order to boost the absorption and the responsivity. Using nanostructured electrodes, it is possible to induce guided mode resonances within nanocrystal thin films. The responsivity of such devices presents an increase of a factor 102 – 103 compared to a film on conventional electrodes due to an enlargement of the absorption and the photoconductive gain both. This method is versatile and can be used for different materials (HgTe, PbS and a mix of perovskite and PbS), at different wavelengths (1.55 µm and 2.5 µm) and for different device geometries (photoconductive and photodiode). Inducing resonators in devices enable post synthesis spectral tunability of the responsivity. It is also possible to achieve broadband absorption using multi-resonant geometries. The last part of my project is dedicated to increase performance through improving transport properties. I will show a nanotrench device that modify transport properties in a nanocrystal film by reducing the active volume. In such device, photoconductive gain is increased, noise is reduced and charges are delocalized. This device has a responsivity of 103 A.W-1 and a detectivity of 1012 Jones at 2.5 µm, 1 V and 200 K. This corresponds to an increase of 5 and 2 orders of magnitude for the responsivity and detectivity respectively. This detectivity is the highest reported for nanocrystal-based photodetectors and is comparable with commercial detectors.

Jury

  • Isabelle Sagnes, Directrice de Recherche, C2N : Referee
  • Stéphane Collin, Directeur de Recherche, C2N : Referee
  • Yanko Todorov, Chargé de recherche, LPENS, examiner
  • Agnès Maître, Professeur des universités, Sorbonne Université : examiner
  • Rose-Marie Sauvage, Responsable Innovation, AID : Invited
  • Grégory Vincent, Ingénieur de recherche, ONERA : PhD advisor
  • Emmanuel Lhuillier, Chargé de Recherche, CNRS : PhD Director