Propriétés optiques et électroniques des nanoplaquettes colloidales de CdSe et des hétérostructures associées

Optical and electronic properties of colloidal CdSe nanoplatelets and related heterostructures

• Auteur / Autrice : Huu Thoai Ngo
• Direction : Louis Biadala, Iwan Moreels, Gang Ji
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 17/09/2024
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....) en cotutelle avec Universiteit Gent (1817-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École graduée Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Bruno Grandidier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Mahler, Jolien Dendooven, Jean-Pierre Hermier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Amandine Bellec, Sandrine Ithurria-Lhuillier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs de basse dimensionnalité

Optoélectronique

Hétérostructures

Spectroscopie tunnel

Microscopie tunnel à balayage

Cristaux colloïdaux

Matériaux nanostructurés

Mots clés libres

Stm

Hr-Tem

Dimensionnalité

Hétéronanostructures

Nanoplaquettes

Confinement quantique

Stm

Propriétés électroniques

Dimensionality

Hr-Tem

Electronic properties

Heteronanostructures

Résumé

Les progrès en chimie colloïdale ont permis la synthèse de divers nanocristaux colloïdaux (NCs) tels que les boîtes quantiques (QDs), les anneaux quantiques (QRs), les nanoplaquettes (NPLs) et les nanobâtonnets (NRs), caractérisés par des effets de confinement quantique. Parmi eux, les NPLs colloïdales (par exemple, CdSe, PbSe) se distinguent par leur forme unique et leurs propriétés optoélectroniques évolutives. Cependant, les NPLs colloïdales contiennent de nombreuses pièges de surface, causés par des défauts structurels et une passivation incomplète des ligands, ce qui réduit considérablement l'efficacité quantique des NPLs, affectant ainsi les performances des dispositifs optoélectroniques à base de NPLs. Il est donc nécessaire de comprendre les propriétés structurelles et électroniques des NPLs à l'échelle individuelle.Dans cette thèse, j'ai étudié les propriétés structurelles et électroniques des NPLs de CdSe en utilisant la microscopie à effet tunnel (STM), qui a révélé la présence de terrasses atomiques sur les bords tronqués des NPLs. La spectroscopie par effet tunnel (STS) a été utilisée pour détecter les positions énergétiques des états de piège électroniques dans la bande interdite.L'influence des états de piège (liaisons pendantes de surface) sur les propriétés optiques des NPLs a été démontrée par des mesures des propriétés magnéto-optiques des NPLs de CdSe et des NPLs cœur/couronne CdSe/CdS. Les interactions entre le spin des électrons et celui des liaisons pendantes de surface conduisent à une polarisation circulaire non monotone (DCP) dans le champ magnétique de l'émission des NPLs de CdSe. La suppression progressive de ces interactions lors de la croissance des anneaux de CdS autour du cœur actif de CdSe indique que les liaisons pendantes actives sont situées aux bords des NPLs. Cette découverte confirme le rôle clé des liaisons pendantes de surface sur les facettes latérales dans la détermination des effets magnéto-optiques dans les NPLs de CdSe. J'ai étendu ce travail de thèse à l'étude des NPLs ultrafines de PbSe en utilisant la technique STM/STS, confirmant les effets de confinement quantique à travers la variation de l'épaisseur et de la taille latérale, impactant leur bande interdite et leurs propriétés optoélectroniques pour des applications dans les télécommunications.

Advances in colloidal chemistry have enabled the synthesis of various colloidal nanocrystals (NCs) such as quantum dots (QDs), quantum rings (QRs), nanoplatelets (NPLs) and nanorods (NRs), characterised by quantum confinement effects. Among them, colloidal NPLs (e.g. CdSe, PbSe) stand out for their unique shape and scalable optoelectronic properties. However, colloidal NPLs contain numerous surface traps, caused by structural defects and incomplete ligand passivation, which greatly reduce the quantum efficiency of NPLs, thus affecting the performance of NPL-based optoelectronic devices. It is therefore necessary to understand the structural and electronic properties of NPLs at the individual scale.In this thesis, I studied the structural and electronic properties of CdSe NPLs using scanning tunneling microscopy (STM), which revealed the presence of atomic terraces on the truncated edges of the NPLs. Scanning tunneling spectroscopy (STS) was used to detect the energy positions of the electronic trap states in the band gap.The influence of trap states (surface dangling bonds) on the optical properties of NPLs was demonstrated by measurements of the magneto-optical properties of CdSe NPLs and CdSe/CdS core/crown NPLs. Interactions between the electron spin and those of the surface dangling bonds lead to a non-monotonic circular polarisation (DCP) in the magnetic field of the emission from CdSe NPLs. The progressive suppression of these interactions during the growth of CdS rings around the active CdSe core indicates that the active dangling bonds are located at the edges of the NPLs. This finding confirms the key role of surface DBs on the lateral facets in determining the magneto-optical effects in CdSe NPLs. I extended this thesis work to the study of ultrathin PbSe NPLs using the STM/STS technique, confirming the quantum confinement effects through the variation in thickness and lateral size, impacting their band gap and optoelectronic properties for telecommunications applications.