Manipulation de la lumière pour des performances de photodétection améliorées et de nouvelles fonctionnalités dans les dispositifs de détection infrarouge à base de nanocristaux colloïdaux

Light manipulation for enhanced photodetection performance and novel functionalities in colloidal nanocrystal-based infrared sensing devices

• Auteur / Autrice : Huu Tung Dang
• Direction : Angela Vasanelli
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique (ed 564)
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 27/09/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : ED 564 Physique en Île-de-France
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Agnes Maitre, Roman Krahne, Jean christophe Lacroix, Emmanuel Lhuillier, Jean-pierre Hermier, Riad Haidar, Angela Vasanelli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-pierre Hermier, Riad Haidar

Mots clés

Mots clés libres

Infrarouge

Nanocristaux colloïdaux

HgTe

Structures photoniques

Photonique active

Réponse reconfigurable

Infrared

Colloidal nanocrystals

HgTe

Photonic structures

Active photonics

Reconfigurable responsee

Résumé

Cette thèse porte sur la réalisation de photodetecteurs infrarouges combinant des nanocristaux colloïdaux de HgTe et des résonateurs plasmoniques. Dans le cas des photodétecteurs à base de nanocristaux, l'utilisation de résonateurs est particulièrement bénéfique en raison du transport à courte distance résultant du caractère polycristallin du film. En effet, dans un réseau de nanocristaux de HgTe, le mécanisme de « hopping » limite la longueur de diffusion des porteurs à quelques dizaines de nanomètres, une longueur significativement plus courte que la profondeur d'absorption du matériau. Cette décorrélation entre les longueurs caractéristiques de l'absorption et du transport conduit à un compromis entre l'absorption optique et l'efficacité de la collecte de charges. Les résonateurs plasmoniques permettent la manipulation de la lumière à des échelles inférieures à la longueur d'onde. Ils peuvent ainsi être exploités pour focaliser la lumière sur des films de nanocristaux ultrafins compatibles avec le transport de charges. Dans ce travail de thèse, nous démontrons une amélioration des performances des détecteurs grâce à l'utilisation de résonateurs. De plus, nous montrons que des fonctionnalités avancées, comme la modulation électrique de la photoréponse des dispositifs, peuvent être obtenues en couplant les nanocristaux avec des structures plasmoniques. Le transport par hopping, souvent considéré comme une limitation pour les dispositifs optoélectroniques, est dans ce cas un ingrédient bénéfique. Enfin, une photodiode avec une architecture basée sur des résonateurs plasmoniques sera présentée. Le dispositif obtenu est parmi les photodétecteurs à nanocristaux les plus sensibles et les plus rapides rapportés jusqu'à présent dans le moyen infrarouge à température cryogénique. De plus, nous démontrons que l'architecture plasmonique utilisée permet d'obtenir une réponse multi-longueur d'onde, reconfigurable avec la tension. De nouvelles fonctionnalités peuvent aussi être démontrées avec ce dispositif, telles que la réjection de bande et la bidirectionnalité du courant.

This thesis focuses on the use of optical nanostructures in nanocrystal-based infrared photodetectors. Integrating optical structures into photodetectors has been demonstrated to improve the devices' speed and sensitivity. In the case of nanocrystal-based photodetectors, using optical resonators is particularly beneficial. Indeed, because of the hopping mechanism, carrier diffusion lengths in a nanocrystal array are several times shorter than the material's absorption depth. This limited transport leads to a trade-off for the thickness of nanocrystal films between optical absorption and charge collection efficiency in photodetectors. Optical nanostructures enable the manipulation of light at subwavelength scales. They can thus be exploited to focus light on ultrathin nanocrystal films compatible with carrier transport. In addition to the enhanced performance of the sensing devices, we also show that advanced functionalities can be generated by coupling nanocrystals with optical structures. Such functionalities result from the bias-reconfigurable photoresponse of the devices. We show that hopping transport, often seen as a limitation for optoelectronic devices, is a crucial ingredient for bias reconfigurability and the design of active photoconductive nanocrystal devices. Lastly, a combination of a photodiode structure and plasmonic resonators will be presented. The obtained device is among the most sensitive and fastest mid-wave infrared photodetectors reported based on colloidal nanocrystals operating at cryogenic temperature. Furthermore, we demonstrate that combining our plasmonic structures with a single diode stack can generate a multicolor bias reconfigurable response and develop new functionalities such as band rejection and current bi-directionality.