Contrôle et imagerie du profil énergetique dans des dispositifs à base de nanocristaux pour la détection infrarouge

Control and Imaging of the Energy Landscape in Nanocrystal-based Devices for Infrared Photodetection

• Auteur / Autrice : Mariarosa Cavallo
• Direction : Emmanuel Lhuillier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 24/03/2025
• 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 : Abhay Shukla
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philip Schulz, Debora Pierucci
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Luca Perfetti, Vincent Derycke
• DOI : 10.70675/d00614fez86a8z417bzb22ez4bbd96d0133f

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optoélectronique

Nanocristaux semiconducteurs

Transistors à effet de champ

Détecteurs de rayonnement infrarouge

Mots clés libres

Optoélectronique

Nanocristaux

Infrarouge

Microscopie de photoémission

Transistor à effet de champ

Densité de porteurs

Optoelectronics

Nanocrystals

Infrared

Photoemission microscopy

Field effect transistor

Carrier density

Résumé

Les nanocristaux colloïdaux présentent des propriétés optiques et électroniques accordables grâce au confinement quantique. Les nanocristaux semiconducteurs à faible bande interdite de tellurure de mercure (HgTe), offrent une accordabilité des propriétés optiques couvrant l'ensemble du spectre infrarouge. Ces nanocristaux peuvent être intégrés dans des films minces pour créer des photodétecteurs infrarouges, avec des applications potentielles dans des caméras infrarouges. La connaissance de la structure électronique de ces matériaux est cruciale pour permettre un design rationnel. Cependant, la plupart des études reposent sur des techniques qui négligent l'environnement réel du dispositif. Dans ce travail, j'ai utilisé la microscopie de photoémission pour cartographier in operando le profil énergétique des dispositifs à base de nanocristaux. Cette méthode donne un accès aux propriétés électroniques dans des conditions de fonctionnement. Parallèlement, j'ai développé une stratégie pour contrôler la densité de porteurs dans les films de nanocristaux en les couplant à des matériaux ferroélectriques en tirant parti de leur polarisation résiduelle inhérente. Cette approche a permis la formation de jonctions p-n induites par la ferroélectricité dans le canal du dispositif. Cette stratégie génère une photodiode planaire sans avoir recours à une tension de grille.

Colloidal nanocrystals exhibit size tunable optical and electronic properties thanks to quantum confinement,. Mercury telluride (HgTe) narrow band gap nanocrystals, offer a unique tunability of optical properties covering the entire infrared spectrum. These nanocrystals can be integrated into thin films to create infrared photodetectors, with potential applications for cost-effective infrared cameras. Knowledge of the electronic structure of these materials is crucial for rational device design. However, most studies rely on techniques that neglect the actual device environment. In this work, I used scanning photoemission microscopy to map the energy landscape of nanocrystal-based devices in operando, providing direct insights into their electronic properties under operating conditions. In parallel, I developed an alternative strategy to control carrier density in nanocrystal films by coupling them to ferroelectric materials, taking advantage of their inherent remnant polarization. This approach enabled the formation of ferroelectric-induced p-n junctions within the device channel, allowing for planar photodiode operation that does not rely on gate bias application.