Thèse soutenue

Contrôle des propriétés d'émission de nanofils semiconducteurs par nanostructures plasmoniques

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Auteur / Autrice : Mathieu Emmanuel Jeannin
Direction : Gilles NoguesKuntheak Kheng
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Nanophysique
Date : Soutenance le 28/10/2016
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble, Isère, France)
Jury : Président / Présidente : Serge Huant
Examinateurs / Examinatrices : Jaime Gómez Rivas, Nicolas Chauvin
Rapporteurs / Rapporteuses : Maria Chamarro, Jean-Jacques Greffet

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Résumé

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Ce travail de thèse porte sur l'étude du couplage entre des boîtes quantiques (BQs) insérées dans des nanofils à semiconducteurs et des antennes plasmoniques. Un couplage efficace requiert une caractérisation complète des leurs propriétés optiques respectives, pour assurer un recouvrement spectral et spatial de l'émission de la boîte et du mode de l'antenne et l'alignement de la polarisation du mode plasmonique avec l'émission de la BQ.Les propriétés optiques d'antennes patchs plasmoniques circulaires ont été étudiées par cathodoluminescence (CL). Nous avons montré avec un modèle analytique de la densité locale d'états électromagnétiques (DLE) au voisinage des antennes que leurs résonances sont des superpositions de modes de Bessel d'ordre radiaux et azimutaux différents. Nous avons fabriqué et caractérisé des antennes mono et multimodes, et trouvé que la partie radiative de la DLE n'est pas la seule contribution au signal de CL. De plus, nous avons caractérisé des antennes de différentes épaisseur du plan diélectrique ou différents matériaux. L'analyse de ces résultats nous pousse à proposer une interprétation des contributions au signal de CL annexes à la partie radiative de la DLE supportée par l'antenne. Nous avons de plus démontré la fabrication d'antennes patchs en aluminium opérant dans la partie bleue du spectre électromagnétique, et appliqué la CL à d'autres géométries d'antennes.Nous avons également étudié différentes boîtes quantiques insérées dans des nanofils à semiconducteurs faits d'alliages de matériaux II-VI. Des émetteurs uniques sont étudiés par microphotoluminescence (µPL). Des mesures résolues en temps ou par microscopie de Fourier permettent une caractérisation spectrale, temporelle et la détermination de leur diagramme de rayonnement. Nous avons de plus mis en évidence les variations de propriétés optiques des émetteurs dues aux inhomogénéité de fabrication en étudiant un large ensemble de BQs. La modélisation complète des propriétés électroniques et optiques d'une boîte unique est proposée en utilisant la microscopie de Fourier résolue en polarisation, et une étape de spectroscopie magnéto-optique.Enfin, nous avons développé une méthode de lithographie électronique en deux étapes basée sur le repérage d'un émetteur unique par CL, permettant la fabrication d'antennes plasmoniques couplées de façon déterministe à des BQs insérées dans des nanofils. L'étude de ce couplage révèle un accroissement de l'absorption du faisceau d'excitation accompagné d'une accélération de l'émission de la boîte par couplage radiatif. Il en résulte une exaltation jusqu'à un facteur 2 de la µPL des boîtes.