Institut des
NanoSciences de Paris
insp
insp
2.jpg

Soutenance de thèse de Bertille Martinez - Mercredi 10 juillet 2019 à 14h

Bertille Martinez, doctorante dans l’équipe Physico-chimie et dynamique des surfaces (PHYSUF), soutient sa thèse le mercredi 20 juillet 2019 à 14 h.

INSP - Sorbonne Université - 4 place Jussieu - 75005 Paris - Barre 22-23, 3e étage, salle 317

Étude des propriétés optoélectroniques de nanocristaux à faible bande interdite : application à la détection infrarouge

PNG Clichés de microscopie électronique à transmission de nanocristaux de séléniure de mercure (a) et de nanocristaux de tellure de mercure (b)
Résumé

Les nanocristaux colloïdaux de semiconducteurs sont des nanomatériaux synthétisés en solution. En deçà d’une certaine taille, ils deviennent confinés : leurs propriétés optiques et électroniques sont alors dépendantes de leur taille. Le développement de ces nanocristaux a atteint une grande maturité dans le visible. L’enjeu est maintenant d’étendre la gamme accessible et d’obtenir des nanocristaux ayant des propriétés dans l’infrarouge. Parmi les candidats, on trouve les nanocristaux de tellure de mercure, HgTe, et de séléniure de mercure, HgSe. L’objectif de ce doctorat est d’approfondir la connaissance des propriétés optoélectroniques et de transport de ces matériaux afin de concevoir un système de détection infrarouge.

Pour y parvenir, la structure électronique de ces matériaux est déterminée expérimentalement pour différentes tailles et différents ligands. Nous pouvons en déduire les énergies des niveaux électroniques et quantifier le niveau de dopage. Nous montrons que ce dopage dépend de la taille des cristaux, et qu’il devient de plus en plus n quand la taille du cristal augmente.

Le contrôle du dopage est ensuite étudié en fonction de la chimie de surface. En utilisant des effets dipolaires ou des transferts d’électrons via des ligands oxydants, nous montrons une modulation du dopage sur plusieurs ordres de grandeur.

Ces études nous permettent de proposer un détecteur infrarouge à base de HgTe, fonctionnant à 2.5 µm. L’architecture de photodiode que nous avons choisie permet de convertir efficacement les photons absorbés en courant électrique : nous obtenons une réponse de 20 mA/W et une détectivité de 3 × 109 Jones. Le potentiel de ces nanocristaux pour l’imagerie est également étudié : une matrice de 10 x 10 pixels réalisée au laboratoire, sur laquelle a été déposée une couche de nanocristaux de HgTe, nous a permis de déterminer la forme d’un faisceau laser infrarouge (1.55 µm).

Abstract

Colloidal semiconductor nanocrystals are nanomaterials synthesized in solution. Below a certain size, these nanocrystals acquire quantum confinement properties : their optoelectronic properties depend on the nanoparticle size. In the visible range, colloidal nanocrystals are quite mature. The next objective in this field is to get infrared colloidal nanocrystals. Mercury selenide (HgSe) and mercury telluride (HgTe) are potential candidates. The goal of this PhD work is to strengthen our knowledge on optical, optoelectronic and transport properties of these nanocrystals, in order to design an infrared detector.

To do so, we studied the electronic structure of HgSe and HgTe for different sizes and surface chemistries. We can then determine the energies of the electronic levels and the Fermi energy, quantify doping level… We show that the nanocrystal size has an influence on doping level, which gets more and more n-type as the nanocrystal size gets larger.

The doping control with surface chemistry is then investigated. By using dipolar effects or oxidizing ligands, we show a doping control over several orders of magnitude.

Thanks to these studies, we are able to propose a HgTe based device for detection at 2.5 µm. To do so, we used a photodiode architecture which converts efficiently the absorbed infrared photons into electrical current : we get a photoresponse of 20 mA/W and a detectivity of 3 × 109 Jones. Finally, we study the imaging potential of these nanocrystals. A home-made, 10 x 10 pixel matrix is realized and nanocrystals are deposited on the top. With this system, we were able to image the beam shape of a 1.55 µm infrared laser.

Jury

  • Laurence Ressier (Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-Objets, Toulouse), rapportrice
  • Bruno Masenelli (Institut des Nanotechnologies de Lyon, Lyon), rapporteur
  • Nicolas Péré-Laperne (Sofradir, Veurey-Voroise), examinateur
  • Alexa Courty (Laboratoire MONARIS : de la molécule aux nano-objets : réactivité, interactions et spectroscopies, Paris), examinatrice
  • Emmanuelle Lacaze (Institut des Nanosciences de Paris, Paris), directrice de thèse
  • Emmanuel Lhuillier (Institut des Nanosciences de Paris, Paris), co-encadrant.