Propriétés optiques fondamentales de nanocristaux de semi-conducteurs individuels aux températures cryogéniques

Fundamental optical properties of single semiconductor nanocrystals at cryogenic temperatures

• Auteur / Autrice : Elise Prin
• Direction : Philippe Tamarat, Brahim Lounis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 27/09/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Photonique, Numérique et Nanosciences (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Cayssol
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Pierre Hermier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Carole Diederichs, Maria Chamarro

Mots clés

Mots clés contrôlés

Excitons

Spectroscopie

Photoluminescence

Nanocristaux semiconducteurs

Mots clés libres

Nanocristaux de semi-conducteurs

Magnéto-photoluminescence

Spectroscopie sur point unique

Structure fine de l’exciton

Semiconductor nanocrystals

Magneto-photoluminescence

Single-dot spectroscopy

Exciton fine structure

Résumé

Les nanocristaux de semi-conducteurs présentent des propriétés optiques et électroniques remarquables en raison du confinement quantique de leurs porteurs de charge, ce qui les rend avantageux pour diverses applications en optoélectronique, dans les dispositifs émetteurs de lumière et dans les technologies basées sur le spin. La compréhension de la physique de l’exciton de bord de bande, dont la recombinaison est à l’origine de leur photoluminescence, est cruciale pour le développement de ces applications. Cette thèse porte sur l’étude expérimentale des propriétés optiques des nanocristaux de phosphure d’indium et de pérovskites d’halogénure de plomb. En utilisant une méthode de spectroscopie de magnéto-photoluminescence sur des nanocristaux uniques à basse température, nous révélons des empreintes spectrales très sensibles à la morphologie des nanocristaux et élucidons la structure fine de l’exciton de bord de bande et les énergies de liaison des complexes de charge. Dans les nanocristauxd’InP/ZnS/ZnSe, l’évolution des spectres et des déclins de luminescence sous champ magnétique montrent l’existence d’un niveau d’exciton noir situé à moins d’un millielectronvolt en dessous du triplet brillant de l’exciton, résultats étayés par un modèle tenant compte de l’anisotropie de forme du coeur d’InP. Dans les pérovskites d’halogénure de plomb, nous démontrons que l’état fondamental de l’exciton est noir et se situe plusieurs millielectronvolts en dessous des sous-niveaux d’exciton brillants les plus bas, résolvant ainsi le débat sur l’ordre des niveaux brillants et noirs de l’exciton dans ces matériaux. En combinant nos résultats avec des mesures spectroscopiques sur divers composés de nanocristaux de pérovskite, nous établissons des lois d’échelle universelles qui relient l’éclatement de la structure fine de l’exciton et les énergies de liaison du trion et du biexciton à l’énergie de l’exciton de bord de bande dans les nanostructures de pérovskite d’halogénure de plomb, quelle que soit leur composition chimique. Enfin, des analyses préliminaires de spectroscopie sur des nano-bâtonnets de pérovskite avec un grand rapport d’aspect suggèrent leur potentiel en tant qu’émetteurs de lumière quantique grâce à leur émission composée d’une raie unique.

Semiconductor nanocrystals exhibit outstanding optical and electronic properties due to the quantum confinement of their charge carriers, making them valuable for various applications in optoelectronics, light-emitting devices, and spin-based technologies. Understanding the physics of the band-edge exciton, whose recombination is at the origin of their photoluminescence, is crucial for developing these applications. This thesis focuses on the experimental study of the optical properties of indium phosphide and lead halide perovskites nanocrystals. Using magneto-photoluminescence spectroscopy onsingle nanocrystals at low temperatures, we reveal spectral fingerprints highly sensitive to nanocrystal morphologies and elucidate the entire band-edge exciton fine structure and charge-complex binding energies. In InP/ZnS/ZnSe nanocrystals, the evolution of photoluminescence spectra and decays under magnetic fields show evidence for a ground dark exciton level lying less than a millielectronvolt below the bright exciton triplet, findings supported by a model accounting for the shape anisotropy of the InPcore. In lead halide perovskites, we demonstrate that the ground exciton state is dark and lies several millielectronvolts below the lowest bright exciton sublevels, settling the debate on the bright-dark exciton level ordering in these materials. Combining our results with spectroscopic measurements on various perovskite nanocrystal compounds, we establish universal scaling laws relating exciton fine structure splitting, trion and biexciton binding energies to the band-edge exciton energy in lead-halide perovskitenanostructures, regardless of their chemical composition. Lastly, preliminary spectroscopy analyses on perovskite nanorods with a high aspect ratio suggest their potential as candidates for quantum light emitters due to their characteristic single emission line.