Exaltation de l'émission dans le proche infrarouge par des antennes plasmoniques : nanotubes de carbone et centres G dans le silicium.

Photoluminescence enhancement in the near infrared using plasmonic antennas : carbon nanotubes and G-centers in silicon.

• Auteur / Autrice : Clément Beaufils
• Direction : Guillaume Cassabois, Emmanuel Rousseau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 10/05/2019
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Coulomb (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Chaubet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Cassabois, Emmanuel Rousseau, Christophe Chaubet, Aloyse Degiron, Stéphane Berciaud, Christophe Voisin, Agnès Maître, Marco Abbarchi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aloyse Degiron, Stéphane Berciaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotubes

Spectroscopie infrarouge proche

Photoluminescence

Mots clés libres

Photoluminescence

Exaltation

Antennes plasmoniques

Proche infrarouge

Nanotubes de carbone

Centres G

Photoluminescence

Enhancement

Plasmonic antennas

Near infrared

Carbon nanotubes

G-Centers

Résumé

L'objectif général de cette thèse était d'exalter l'émission dans le proche infrarouge en utilisant des antennes plasmoniques. Les antennes plasmoniques permettent de modifier la dynamique de désexcitation ainsi que le diagramme d'émission d'un émetteur; ces deux aspects permettent donc d'améliorer/exalter la photoluminescence par rapport à un émetteur non couplé à une antenne. Au cours de cette thèse, deux émetteurs ont été étudiés : les nanotubes de carbone et les centres G dans le silicium.Les antennes plasmoniques sont, par exemple, des nanoparticules métalliques. Ainsi, dans un premier temps, nous avons étudié les propriétés de diffusion de nanoparticules métalliques. Ceci a permis de développer une technique permettant de déposer des nanoparticules uniques sur un substrat. La caractérisation optique de diverses nanoparticules déposées sur divers substrats fut réalisée par des mesures de spectres de diffusion. Des études en polarisation sur le signal excitateur ainsi que sur le signal diffusé ont permis de sonder l'origine des résonances plasmoniques apparaissant dans les spectres de diffusion. Les influences de la température et du substrat sur les spectres de diffusion ont aussi été étudiées.Dans une deuxième partie, nous nous sommes intéressés à un premier émetteur dans le proche infrarouge : les nanotubes de carbone semi-conducteurs. Nous avons caractérisé la photoluminescence d'un ensemble de nanotubes puis d'uniques nanotubes. La photoluminescence d'un nanotube de carbone unique est caractérisée par un faiblement rendement radiatif (de l'ordre du %) ce qui implique que, dans notre montage expérimental, l'émission par un unique nanotube est à la limite de détectabilité. Afin d’obtenir des applications optiques viables à base de nanotubes de carbone, nous avons essayé d'exalter leur photoluminescence grâce à des antennes plasmoniques. Nous avons donc déposé des nanoparticules métalliques au-dessus d’une couche de nanotubes de carbone. Nous avons observé ponctuellement l'exaltation de la photoluminescence, mais cette exaltation cessait sur des durées de l'ordre de la minute.Enfin, nous avons étudié un deuxième émetteur dans le proche infrarouge : les centres G dans le silicium. La caractérisation optique d'un ensemble de centre G a été réalisé. Le spectre d'émission a été mesuré et analysé quantitativement. Le temps de vie du centre G a aussi été mesuré pour la première fois. Ces deux types d'études (spectrales et temporelles) ont aussi été réalisées à diverses températures afin de sonder la dynamique de désexcitation des centres G. La saturation d'un ensemble de centres G a aussi été étudiée quantitativement. Enfin, nous avons réalisé des mesures laissant penser que le régime du centre G unique est presque atteint. L'exaltation de l'émission des centres G par des antennes plasmoniques n'a pas pu être étudiée par manque de temps.

The goal of this work was to enhance the photoluminescence in the near infrared using plasmonic antennas. Plasmonic antennas can modify both the recombination dynamics and the emission diagram; these two aspects can thus be used to enhance the photoluminescence of an emitter in comparison to an emitter not coupled with an antenna. During this thesis, two emitters were studied: carbon nanotubes and G-centers in silicon.Plasmonic antennas can be metallic nanoparticles for instance. Thus, we first studied the scattering properties of metallic nanoparticles. During this study, we developed a technique to deposit single nanoparticles on a substrate. The optical characterization of several nanoparticles on different substrates was realized through scattering spectrum measurements. Polarization studies on both the excitation light and the emitted light were realized in order to analyze the origin of plasmonic resonances in the scattering spectrum. The influence of the temperature and the substrate on the scattering spectrums was also investigated.Secondly, we looked into a first near infrared emitter: semi-conducting carbon nanotubes. We characterized the photoluminescence from an assembly of carbon nanotubes and then from single carbon nanotubes. The photoluminescence of a single carbon nanotube is characterized by a low quantum yield (typically, a few %) which implied, in our experimental setup, that the emission from a single nanotube is at the limit of detectability. In order to propose viable optical applications based on carbon nanotubes, we tried to enhance their photoluminescence with plasmonic antennas. We thus deposited metallic nanoparticles on top of a layer of carbon nanotubes. We occasionally observed some enhancements, but this typically ceased in less than a minute.Finally, we studied a second emitter in the near infrared: the G-centers in silicon. The optical characterization was realized. The emission spectrum was measured and quantitatively analyzed. The lifetime of the G-center was measured for the first time. These two studies (spectrally resolved and temporally resolved) were also realized for different temperatures in order to characterize the recombination dynamics of the G-centers. The saturation of an assembly of G-centers was also quantitatively studied. We also realized measurements suggesting that the single G-center regime has nearly been achieved. The enhancement of the photoluminescence of G centers with plasmonic antennas was not realized due to lack of time.