Etude des effets quantiques dans des nanocristaux semi-conducteurs fortement dopés présentant des résonances de plasmon de surface localisé

Mots clés

Plasmonique, Semi-conducteurs, Dopage, Couches minces, Spectroscopie

Détail de l'offre

Les résonances plasmoniques de surface localisées, issues d'oscillations collectives des porteurs libres aux interfaces métal-diélectriques, sont étudiées depuis des décennies en raison de leurs propriétés remarquables d'absorption et de diffusion de la lumière. Elles sont également sources de nombreuses applications liées à l'interaction lumière-matière telles que par exemple la spectroscopie exaltée, les capteurs optiques ou encore la conversion photovoltaïque. La réduction de la taille des structures supportant les plasmons à quelques nanomètres permet de contrôler l'interaction lumière-matière à des échelles inférieures à la longueur d'onde. À des tailles réduites, plusieurs études ont mis en évidence des effets quantiques significatifs dans de tels systèmes plasmoniques à base de métaux nobles et ont contribué au développement du nouveau domaine de la plasmonique quantique (A. Campos et al., Nat. Phys., 15, 275, 2019). La plasmonique quantique est un domaine de recherche récent et en plein essor qui se concentre sur le régime intermédiaire dans lequel l'excitation collective plasmonique coexiste avec l'excitation d'un seul porteur de charge, soumis aux effets de confinement quantique. De tels effets de confinement quantique se produisent lorsqu'une dimension au moins est plus petite que le rayon de Bohr du matériau.

Le travail de thèse, qui s'inscrit dans le cadre du projet ANR DIAAPASON, se concentre sur l'étude de ce régime plasmonique quantique dans des matériaux sans métal, en considérant plus particulièrement des nanocristaux (NC) de Si fortement dopés. L'utilisation de ces nanostructures semi-conductrices offre une nouvelle approche car elle permet un contrôle indépendant de la taille des NC et de la densité des porteurs. La fréquence du plasma peut alors être contrôlée par le biais du dopage, ce qui offre un degré de liberté supplémentaire par rapport aux métaux, qui ont une densité d'électrons fixe. Cette méthode originale de contrôle de la fréquence, combinée à l'extension de la plasmonique dans le domaine spectral de l'infrarouge, a alimenté la recherche de nouveaux matériaux plasmoniques présentant une qualité cristalline, une intégrabilité, une accordabilité et une stabilité améliorée.

Les travaux récents de l'équipe d'accueil ont démontré l'existence de résonances plasmoniques infrarouges dans des nanocristaux de silicium fortement dopés avec du phosphore et insérés dans une matrice diélectrique de silice (A. Valdenaire et al., ACS Appl. Nano Mater. 6, 3312-3320, 2023 ; C. B. Kengne et al., ACS Appl. Nano Mater. 7, 28612-28618, 2024). L'étude de la concentration de dopants a permis d'optimiser la réponse plasmonique et l'étude de la taille des nanocristaux a mis en évidence le rôle de l'interface nanocristal/matrice hôte sur la durée de vie du plasmon et sur le facteur de qualité du plasmon.

Le premier objectif de la thèse est d'étudier des objets plasmoniques dont les tailles appartiennent au régime de confinement quantique des porteurs (diamètre des nanoobjets inférieur à 10 nm) et au régime des faibles concentrations de porteurs libres. Le deuxième objectif concerne les effets de couplage mettant en jeu les nanocristaux plasmoniques. Ce couplage peut provenir d'une interaction entre nanocristaux s'ils sont suffisamment proches ou avec un oscillateur externe, tel qu'une molécule. Au cours de ce travail, le/la doctorant(e) préparera les matériaux en couche mince par évaporation sur le tunnel ultravide du laboratoire (tube DAUM). Il/Elle mènera une étude spectroscopique approfondie, en utilisant la spectroscopie d'émission par photoluminescence, et d'absorption dans les domaines UV, visible et infrarouge. Il/Elle mettra en jeu des techniques de pointes telles que le STEM-EELS et le STEM-EDS pour étudier la localisation des dopants. Un travail de modélisation numérique sera développé pour analyser les réponses plasmoniques.