Electroluminescence à l'échelle du contact métallique ponctuel

Electroluminescence at the scale of the atomic point contact

• Auteur / Autrice : Tuhiti Malinowski
• Direction : Philippe Dumas, Hubert Klein
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière
• Date : Soutenance le 12/07/2016
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Vallée
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Dumas, Hubert Klein, Fabrice Vallée, Guillaume Schull, Alexandre Bouhelier, Jacques Peretti, Jean-Jacques Greffet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Guillaume Schull, Alexandre Bouhelier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photons

Interactions électron-électron

Électroluminescence

Mots clés libres

Electroluminescence

Contact atomique ponctuel

Interaction electron electron

Photon

Nano

Gaz chaud d'électrons

Electroluminescence

Atomic point contact

Electron electron interaction

Photon

Nano

Hot electron gaz

Résumé

Cette thèse expérimentale traite de l'électroluminescence de contacts atomiques en or. Les contacts métalliques ponctuels sont formés et pilotés à l'aide d'un dispositif de jonction brisée contrôlée mécaniquement. Les contacts sont formés à partir d'un fil d'or et sont étudiés à la température ambiante.L'électroluminescence est observée dans le visible au travers d'un microscope optique. Le détecteur est une caméra sensible en silicium. Pour l'analyse du spectre émis, un dispositif dispersif en ligne a été spécifiquement développé. Pour l'infrarouge, le détecteur photovoltaïque monocanal est en InAsSb.Nos mesures électriques et optiques simultanées permettent de sonder la physique des interactions entre électrons et photons à l'échelle nanométrique. L'électroluminescence est attribuée à l'émission spontanée d'un nanogaz à haute température d'électrons chauds, conséquence des fortes densités de courant. Cette haute température électronique est fonction des conditions opératoires. Pour ces nanojonctions d'or, nos expériences nous permettent d’en proposer une expression analytique simple.Ces travaux complètent des expériences similaires menées depuis le début des années 2000. Ils sont discutés dans le cadre d'un modèle développé pour expliquer l'émission d'électrons chauds à partir de films métalliques granulaires. Nous discutons de la physique d’échauffement du gaz d’électron en rapprochant nos résultats d'expériences pompe/sonde femtoseconde interrogeant la dynamique des électrons hors équilibre dans des nanobilles d'or ainsi que d'expériences de transport en physique mésoscopique menées à très basse température.

This experimental thesis deals with electroluminescence from gold atomic point contacts. Metallic point contacts are formed and driven with a home-made mechanically controlled break junction device. The nanojunctions are made from gold wires. Experiments are performed at room temperature and in air.Electroluminescence is observed in the visible range with an infinity corrected inverted optical microscope. The detector is a high sensitivity silicon camera. To perform spectral analysis, a dispersive on-line device has been developed to be inserted directly within the microscope. A reflective objective collects infrared photons and focuses them onto an InAsSb photovoltaic cooled detector.Our simultaneous electrical and optical measurements allow us to investigate the physics of electrons and photons interactions at the nanometric scale. Electroluminescence is explained by the spontaneous emission of a hot electron nano-gas favoured by huge current densities. This high electron temperature depends on operating conditions. For gold ballistic nanojunctions, our results lead us to propose a simple expression of this temperature. This work extends similar electroluminescence studies performed since the early 2000’s. The results are discussed in this context and in the framework of a model first introduced to account for hot electron emission from thin granular metallic films. Moreover, we discuss the physics leading to the hot electron gaz with the support of pump/probe femtosecond experiments probing the nonequilibrium electron dynamics in gold nanosphere and with the support of low temperature mesoscopic transport experiments.