Les systèmes hybrides à base de cristaux photoniques de silicium poreux et de boîtes quantiques semiconductrices et leurs propriétés photophysiques dans le proche infrarouge

Hybrid systems based on porous silicon photonic crystals and semiconductor quantum dots and their photophysical properties in the near infrared range

• Auteur / Autrice : Irina Kriukova
• Direction : Igor Nabiev
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : Reims en cotutelle avec National Research Nuclear University MEPhI (Moscou)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie, Chimie, Santé (Reims ; 2018-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche en nanosciences (LRN) - EA 4682 (Reims, Marne)
• Jury : Président / Présidente : Michaël Molinari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Igor Nabiev, Yuri Gounko, Jérôme Plain, Alena Sukhanova
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yuri Gounko

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium

Photoluminescence

Optoélectronique

Cristaux phononiques

Luminophores

Microcavités

Mots clés libres

Microcavité optique

Boîtes quantiques semiconductrices

QDs

Couplage lumière-Matière

Optical microcavity

Semiconductor quantum dots

QDs

Light-Matter coupling

Résumé

Le développement des structures basées sur les microcavités et les luminophores fonctionnant dans le mode d'interaction lumière-matière est une question essentielle en termes de la recherche fondamentale et des applications pratiques. Les systèmes basés sur des cristaux photoniques en silicium poreux (pSi) et des boîtes quantiques (QDs) incorporées présentent un intérêt particulier pour l’optoélectronique. Cependant, ces structures fonctionnant dans le domaine du proche IR ouvrent les perspectives d'utilisation dans la ''fenêtre de transparence'' biologiques. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail était de concevoir, de fabriquer et étudier les caractéristiques de photoluminescence (PL) des structures basées sur des QDs PbS incorporées dans les cristaux photoniques en pSi fabriqués par l’anodisation électrochimique. Le modèle théorique pour calculer les spectres de réflexion des structures en pSi et les paramètres de la fabrication a été développé. De plus, les microcavités détachées du substrat de silicium ont été fabriqués, ce qui est important pour une réalisation des senseurs avec une option de pompage de l'analyte. Les microcavités imprimées par transfert ont été fabriquées, ce qui permet de placer les luminophores précisément dans la région de localisation du mode propre de la microcavité. Le renforcement de la PL des QDs dans les structures basées sur des cristaux photoniques en pSi a été démontré, ce qui fait la preuve de l’interaction lumière-matière faible entre les excitons des QDs et le mode propre de la microcavité. Un renforcement de la PL des QDs incorporées dans les microcavités en pSi sous excitation à deux photons dans le domaine du proche IR a été démontré. De plus, les systèmes basés sur la cellule à microcavité et le colorant organique du R6G ont été fabriqués, exposant un régime fort d'interaction lumière-matière entre les transitions excitoniques du colorant et le mode propre de la microcavité.

The development of structures based on microcavities and luminophores operating in the light–matter coupling regime is an important problem in terms of both basic research and practical applications. Systems based on porous silicon (pSi) photonic crystals and embedded quantum dots (QDs) are of particular interest for optoelectronics. However, such structures operating in the near-IR range open up the prospects of their use in the biological ''window of transparency''. Therefore, the goal of this research was to develop, fabricate, and study the photoluminescence (PL) characteristics of structures based on QDs embedded in pSi photonic crystals fabricated by electrochemical etching. A theoretical model for calculating the reflection spectra of pSi structures and the parameters required for their fabrication was developed. In addition, microcavities detached from the silicon substrate have been fabricated, which are important for designing sensors with the option of analyte pumping. The transfer-printed microcavities were fabricated, which allow luminophores to be placed directly in the location of the microcavity eigenmode. Enhancement of QD PL in structures based on pSi photonic crystals has been demonstrated, which indicates weak light–matter interaction between the excitons in QDs and the microcavity eigenmode. Enhancement of the PL of QDs embedded in pSi microcavities under two-photon excitation in the near-IR range has been demonstrated. In addition, systems based on microcavity cell and the organic dye R6G were fabricated, exhibiting strong light–matter interaction between excitonic transitions of the dye and the eigenmode of the microcavity.