Emission de nanocristaux semi-conducteurs dans une antenne patch plasmonique

par Cherif Belacel

Thèse de doctorat en Physique de la particule à la matière condensée

Sous la direction de Agnès Maître et de Pascale Senellart.

Soutenue en 2013

à Paris 6 .


  • Résumé

    Nous démontrons expérimentalement le contrôle du taux d’émission spontanée ainsi que le diagramme de rayonnement de nanoémetteurs positionnés de façon déterministe dans une antenne patch plasmonique proposée par l’équipe de J. J. Greffet de l’Institut d’Optique. Les nanoémetteurs utilisés sont des nanocristaux colloïdaux en CdSe/CdS émettant dans la gamme de longueur d’onde du visible à température ambiante. L’antenne patch est composée d’un disque d’or fin placé à 30 nm au dessus d’une surface d’or épaisse. Cette structure permet de confiner très fortement le champ électromagnétique dans les trois directions de l’espace. En plaçant un émetteur au centre de l’antenne, l’émission peut être accélérée d’un facteur atteignant 180 pour un disque de 160nm diamètre par effet Purcell. Afin de réaliser ces antennes, nous utilisons la méthode de lithographie in-situ développée par l’équipe de P. Senellart au LPN. Cette méthode consiste à d’abord repérer un émetteur par photoluminescence avec une précision de l’ordre de 25nm, puis, dessiner la structure photonique ou plasmonique au tour de l’émetteur grâce à un laser. Nous montrons que l’émission des nanocristaux se fait sur l’ensemble de la surface des antennes patchs avec un diagramme de rayonnement vertical et très directif. Une forte accélération du taux d’émission spontanée est observée et dépend du diamètre de l’antenne. En considérons la structure du double dipôle des nanocristaux, le facteur de Purcell atteint 80 pour un dipôle vertical au disque d’or. Par ailleurs, nous avons développé une méthode de lithographie permettant de réaliser des antennes patchs plasmoniques couplés à des émetteurs individuels par gravure laser directe.

  • Titre traduit

    Emission of nanocrystals coupled to a patch antenna


  • Résumé

    In this thesis, we experimentally demonstrate the control of the spontaneous emission rate and the radiation pattern of colloidal quantum dots deterministically positioned in a plasmonic patch antenna proposed by the J. J. Greffet’s team at IOGS laboratory. The nano-emitters used here are CdSe/CdS colloidal nanocrystals emitting in the visible wavelengths at room temperature. The antenna consists of a thin gold microdisk 30 nm above a thick gold layer. This structure confines the electromagnetic field in a small volume allowing reaching a Purcell factor up to 180 for a diameter of 160nm. These antennas are made by in-situ lithography technique developed by P. Senellart at LPN laboratory (Marcoussis). This technique consists in centering on the quantum emitter by maximizing the photoluminescence signal detection with 25nm accuracy, then, the photonic or a plasmonic structure is drawn with a laser. The emitters are shown to radiate through the entire patch antenna in a highly directional and vertical radiation pattern. Strong acceleration of spontaneous emission is observed, depending of the antenna size. Considering the double dipole structure of the emitters, this corresponds to a Purcell factor up to 80 for dipoles perpendicular to the disk. We also developed in this thesis, an in-situ lithography technique that allows the coupling of the optical patch antenna to a single nanocrystal.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (127 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.119-127

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