Propriétés électroniques et de transport des super-réseaux de boites quantiques épitaxiallement connectées

Electronic and transport properties of epitaxially connected quantum dot superlattices

• Auteur / Autrice : Vincent Notot
• Direction : Bruno Grandidier, Louis Biadala
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 22/01/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Lhuillier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Grandidier, Louis Biadala, Emmanuel Lhuillier, Laurence Ressier, Peter Reiss, Odile Cristini-Robbe
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Lhuillier, Laurence Ressier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transport des électrons, Théorie du

Spectroscopie tunnel

Microscopie tunnel à balayage

Superréseaux

Cristaux colloïdaux

Nanocristaux semiconducteurs

Propriétés électroniques

Points quantiques

Mots clés libres

Séléniure de plomb

Quantum dots

Scanning Tunneling Microscopy

Colloidal

Superlattice

Résumé

Les boites quantiques colloïdales semiconductrices sont des semi-conducteurs fluorescents de taille nanométrique, généralement comprises entre 2 et 10 nm. Ces matériaux ont suscité l'intérêt de la communauté scientifique depuis plus de trente ans en raison de leurs propriétés opto-électroniques particulières qui résultent du fort confinement des porteurs de charge. Grâce aux développements continuels de leur synthèse chimique pour produire des monocouches de nanocristaux dont les bords peuvent être à présent fusionnés, le couplage électronique entre boîtes au sein de réseaux semble à portée de main. Cependant, le transport électronique dans de tel réseau est encore limité et nécessite une étude approfondie à l’échelle du nanocristal unique.La microscopie à effet tunnel est un outil adéquat pour étudier les propriétés électroniques de nanostructures individuelles. Dans ce travail, cette technique a été utilisée pour caractériser des super-réseaux carrés de boîtes quantiques de séléniure de plomb. Pour commencer, nous avons étudié les propriétés électroniques et structurelles d’un super-réseau déposé sur un substrat en or. Après recuit des échantillons pour assurer une grande stabilité de la jonction tunnel, la spectroscopie tunnel a révélé une monocouche dopée p comportant deux types de nanocristaux : ceux, majoritaires, présentant des états discrets de part et d’autre de la bande interdite, dont l’analyse fine de la largeur des pics montre un couplage plus ou moins prononcé des états de bande de valence et ceux, en moindre concentration, possédant un pic dans la bande interdite. Pour mieux comprendre l’origine de ce pic, le super-réseau a également été étudié sur une fine couche d’oxyde de silicium qui découple électroniquement le réseau du substrat de silicium. Dans ce cas, l’apparition d’états vibroniques associés au pic dans la bande interdite indique la présence d’états localisés. Ces pièges sont attribués à la perte de ligands sur certaines facettes des nanocristaux. En conservant la passivation de ces facettes par des ligands, les propriétés de transport de super-réseaux ont finalement été étudiées par microscopie à effet tunnel à pointes multiples. Des mesures de conductivité montre l’importance des fissures du film sur la conduction électrique. Néanmoins à l’échelle du micromètre, des conductivités à l’état de l’art de l’ordre de 10-5 S ont été obtenues, démontrant l’intérêt de fusionner les boîtes quantiques colloïdales pour tendre vers un transport de bande.

Semiconductor colloidal quantum dots are fluorescent semiconductors of nanometric size, generally between 2 and 10 nm. These materials have raised the interest of the scientific community for more than thirty years because of their particular opto-electronic properties, which result from the strong confinement of charge carriers. Thanks to on-going developments in their chemical synthesis to produce monolayers of nanocrystals whose facets can now be fused, electronic coupling between quantum dots within arrays is now within reach. However, electronic transport in such a network is still limited and requires further study at the scale of the single nanocrystal.Scanning tunneling microscopy is a suitable tool for studying the electronic properties of individual nanostructures. In this work, this technique was used to characterize square superlattices of lead selenide quantum dots. To begin with, we studied the electronic and structural properties of a superlattice deposited on a gold substrate. After annealing the samples to ensure high stability of the tunnel junction, tunnel spectroscopy revealed a p-doped monolayer comprising two types of nanocrystals: those, the majority, exhibiting discrete states on both sides of the band gap, where the analysis of the width of the peaks shows a more or less pronounced coupling of the valence band states and those, in lower concentration, having a peak in the forbidden band. To better understand the origin of this peak, the superlattice was also studied on a thin layer of silicon oxide that electronically decouples the grating from the silicon substrate. In this case, the appearance of vibronic states associated with the peak in the band gap indicates the presence of localized states. These traps are attributed to the loss of ligands on certain facets of the nanocrystals. By keeping these facets passivated with ligands, the transport properties of the superlattices were finally investigated by multi-tip scanning tunneling microscopy. Conductivity measurements show the importance of film cracks on the electrical conduction. However, at the micrometer scale, state-of-the-art conductivities of the order of 10-5 S have been obtained, demonstrating the interest of fusing colloidal quantum dots to tend towards band transport.