Photoluminescence et couplage plasmonique des nanocristaux d'AgInS2-ZnS

Photoluminescence and plasmonic coupling of AgInS2-ZnS nanocristals

• Auteur / Autrice : Théo Chevallier
• Direction : Frédéric Chandezon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des materiaux
• Date : Soutenance le 16/10/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Gérard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Le Blevennec, Thierry Le Mercier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Pierre Hermier, Thierry Gacoin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Luminophores

Nanophotonique

Nanocristaux

Plasmons

Photoluminescence

Mots clés libres

Photoluminescence

Plasmonique

Nanocristaux

AgInS2-ZnS

Coeur/coquille

Couplage

Photoluminescence

Plasmonics

Nanocrystals

Core/shell

AgInS2-ZnS

Coupling

Résumé

Les nanocristaux d'AgInS2-ZnS sont des candidats prometteurs pour le développement de nano-luminophores non-toxiques et performants. Grâce à leur taille et à leur forte absorption, ces nano-luminophores permettent l'exploitation d'effets nano-optiques pouvant augmenter leur efficacité à l'absorption ou à l'émission. Ce document présente, dans un premier temps, une méthode d'analyse qui couple la mesure du rendement quantique à celle du temps de vie de luminescence et permet l'étude des contributions radiatives et non-radiatives des différents mécanismes de luminescence des nanocristaux d'AgInS2-ZnS. En modifiant la taille, la chimie de surface et la structure du cœur de ces nanocristaux, nous construisons un modèle global expliquant le rôle de leur composition et soulignant l'importance de leur surface. De nouvelles stratégies sont identifiées pour optimiser ces nanomatériaux. Leur application conjointe permet d'envisager des rendements quantiques proches de 90%. Dans un second temps, une méthode de simulation numérique générale a été développée pour prédire l'effet produit par le couplage nano-optique entre une particule plasmonique et un luminophore. Cette méthode a été appliquée au cas des structures cœur/coquille/coquille (métal/isolant/AgInS2-ZnS) et les configurations optimales du système ont été déterminées. Une nanostructure particulièrement performante permettant de combiner les effets du couplage à l'absorption et à l'émission a été identifiée. Une méthode de synthèse de ces nanostructures est développée. Les résultats expérimentaux obtenus sont en accord à la fois avec la compréhension de la fluorescence des nanocristaux d'AgInS2-ZnS et la prédiction obtenue par simulation.

AgInS2-ZnS nanocrystals are promising materials for the development of non-toxic, highly efficient nano-phosphors. Their size and strong absorption allow them to exploit nano-optical effects potentially enhancing both their absorption and emission processes. This work presents a method combining quantum yield measurements with time resolved emission spectroscopy allowing for the study of both radiative and non-radiative properties of each recombination pathways. Modifying the size, surface chemistry, and core structure of the nanocrystals, we construct a global model explaining the role of their composition and emphasizing the critical aspect of their surface. New strategies are identified to increase the internal quantum yield of these materials. Combining these approaches, it is now possible to expect 90% efficiencies. In a second step, a simulation method was developed to predict the nano-optical effects induced by a plasmonic nanostructure on a given phosphor. We applied this method on core/shell/shell (metal/insulator/AgInS2-ZnS) nanostructures and theoretically determined optimal configurations of the system. A particularly efficient nanostructure achieving coupling on both absorbed and emitted light is identified. Hybrid plasmonic nanostructures are synthesized. Their performances are in accordance with both our understanding of the fluorescence mechanisms of AgInS2-ZnS nanocrystals and the predictions made via simulation.