Avancement de l’imagerie infrarouge basée sur les nanocristaux : exploration de stratégies novatrices dans la conception et la caractérisation

Advancing Nanocrystal-based Infrared Imaging : Exploring Novel Strategies in the Design and Characterization

• Auteur / Autrice : Adrien Khalili Lazarjani
• Direction : Emmanuel Lhuillier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 04/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des nanosciences de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Testelin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Guyot-Sionnest, Eva Izquierdo, Grégory Vincent
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Thierry Taliercio, Hervé Rinnert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonateurs optiques

Nanocristaux

Imagerie infrarouge

Optoélectronique

Mots clés libres

Infrarouge

Optoélectronique

Nanocristaux

Hétérostructure

Résonateur

Infrared

Optoelectronic

Nanocrystals

Heterostructure

Resonator

Résumé

L’infrarouge est une région spectre électromagnétique avec des longueurs d'onde plus longues que celles de la lumière visible. Cette gamme spectrale fournit des informations complémentaires au domaine visible, et trouve des applications dans divers domaines tels que la défense, l'astronomie, et les technologies civiles émergentes dont le LiDAR dans les véhicules autonomes, ou la reconnaissance faciale dans nos smartphones. Alors que la technologie de détection à base de silicium règne sur le marché du visible, son équivalent reste à développer dans l'infrarouge. Les nanocristaux colloïdaux offrent une voie prometteuse pour la réalisation de capteurs infrarouges performants et économiques. Ces objets cristallins synthétisés chimiquement présentent des effets de confinement quantique, qui permettent d’ajuster leurs propriétés optiques avec leur taille. Parmi les nanocristaux absorbant l'infrarouge, j'ai utilisé des nanocristaux de chalcogénures de mercure (HgX) qui peuvent adresser toute la gamme infrarouge du visible à la région THz. Au cours de ma thèse, j'ai exploré des concepts innovants liés à la fois aux propriétés matérielles des nanocristaux et à la conception de géométries de dispositifs complexes avec un couplage lumière-matière exalté. En particulier, j'ai proposé différentes approches pour découpler les propriétés optiques et de transport dans les photodétecteurs à base de nanocristaux HgX, afin d’atteindre des performances de détection de pointe. De plus, j'ai entrepris une nouvelle approche en utilisant des mesures in-operando, axées sur l'étude du matériau dans le contexte du dispositif lui-même, plutôt que de les considérer comme des entités distinctes.

The infrared region is a part of the electromagnetic spectrum with wavelengths longer than those of visible light. This spectral domain provides complementary information to the visible range, and finds application in various fields such as defense, astronomy, and emerging civilian technologies including LiDAR in autonomous vehicles, or face recognition in our smartphones. While the silicon-based sensing technology rules over the visible market, its equivalent has yet to be developed in the infrared. Colloidal nanocrystals offer a promising avenue for the realization of high-performance and cost-effective infrared sensors. These chemically synthetized crystalline objects exhibit quantum confinement effects, resulting in size-tunable optical properties. Among infrared absorbing nanocrystals, I have specifically used mercury chalcogenides (HgX) nanocrystals that can address the entire infrared range from the visible to the THz region. Over the course of my thesis, I have explored innovative concepts relating to both the material properties of nanocrystals and the design of complex device geometries with enhanced light-matter coupling. In particular, I have proposed different approaches to uncouple optical and transport properties in HgX-based photodetectors, aiming to achieve state-of-the-art sensing performances. Furthermore, I have pursued a novel strategy based on in-operando measurements, which focus on studying the material within the context of the device itself, rather than regarding them as separate entities.