Propriétés optiques et électroniques des boîtes quantiques de graphène dans la gamme spectrale Térahertz

Optical and electronic properties of graphene quantum dots in the Terahertz spectral range

• Auteur / Autrice : Sylvain Massabeau
• Direction : Juliette Mangeney
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 24/11/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de l'ENS (Paris ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Claire Berger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Regnault, Valia Voliotis, Daniel Dolfi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Teppe, Christoph Stampfer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie terahertz

Transport quantique

Points quantiques

Propriétés électroniques

Propriétés optiques

Graphène

Mots clés libres

Graphène

Térahertz

Boîte quantique de graphène

Spectroscopie THz dans le domaine temporel

Transport quantique électronique

Interaction lumière-matière

Graphene

Terahertz

Quantum dots

Résumé

L’objectif de cette thèse est d'explorer les propriétés électroniques et optiques des boîtes quantiques de graphène (BQG) dans le domaine spectral THz. En utilisant le formalisme des liaisons fortes, nous calculons d'abord les niveaux d'énergie de BQG (diamètres de 6 à 50 nm) et analysons leurs caractéristiques. Nous calculons ensuite leur couplage à des photons de faible énergie et déterminons les spectres de probabilité d'absorption des BQG dans la gamme spectrale THz, en fonction de leur taille, de la température et du dopage. Ensuite, nous mesurons les propriétés optiques des BQG aux fréquences THz, en utilisant un système de spectroscopie THz dans le domaine temporel. Des échantillons de graphène épitaxial multicouches (GEM) sont sondés puis nanostructurés en réseaux contenant 107 BQG. Nous montrons que la réponse THz de BQG de quelques dizaines de nm de diamètre est principalement caractérisée par une large absorption autour de 6 THz, à basse et à température ambiante. Ces résultats originaux sont étayés par l'analyse théorique et sont fortement différents de ce qui est observé dans le GEM.Enfin, nous étudions les propriétés de transport électronique d’une BQG unique. La BQG est formée à partir de graphène exfolié encapsulé dans des couches de hBN, et est insérée dans un transistor à électron unique couplé à une antenne THz. On observe le régime de blocage de Coulomb et les états excités de la BQG. Enfin, nous étudions la photoréponse à des photons THz incohérents d’une BQG dans le régime de blocage de Coulomb. Ces résultats ouvrent des perspectives très intéressantes pour le développement de dispositifs THz à base de BQG, comme les lasers THz.

The goal of the present thesis is to explore the electronic and optical properties of graphene quantum dots (GQDs) in the THz spectral range. Using tight-binding modelling, we first calculate the energy levels of GQDs of diameters ranging from 6 to 50 nm and analyse the different nature of these energy states. We further calculate their coupling to low energy photons and determine the absorption probability spectra in the THz spectral range. We finally explore how the size, temperature and doping of the GQDs affect their absorption spectra. Secondly, we focus on the experimental investigation of the optical properties of GQDs at THz frequencies, using THz time-domain spectroscopy. Multilayer epitaxial graphene (MEG) samples are probed and then nanostructured in 107 GQDs arrays. We show that the THz response of GQDs with diameters of few tens of nm is mainly characterised by a deep absorption around 6 THz at low and room temperature. These original outcomes are supported by the theoretical analysis and are strongly different from what is observed in MEG. Finally, we study the electronic transport properties of a single GQD in the Coulomb-blockade regime. A single GQD, made of exfoliated graphene encapsulated with hBN layers, is inserted within single electron transistor coupled to a bow-tie THz antenna. Dark transport measurements in the GQD-based transistors show Coulomb blockade regime and excited states of the GQD. Finally, we provide the photoresponse of the GQD in the Coulomb blockade regime under incoherent THz illumination. These results open very exciting perspectives for the development of GQD-based devices for THz photonic applications such as THz lasers.