Étude des propriétés optiques de nanofils individuels de Si, de Ge, et d'alliages et hétérostructures SiGe pour le contrôle de l'absorption et de la diffusion de la lumière

par Houssem Kallel

Thèse de doctorat en Nano-physique, nano-composants, nano-mesures

Sous la direction de Vincent Paillard et de Abdallah Chehaidar.

Soutenue en 2014

à Toulouse 3 en cotutelle avec l'Université de Sfax (Tunisie) .


  • Résumé

    Cette thèse porte sur l'étude de la réponse optique de nanofils semiconducteurs individuels afin de déterminer les paramètres clefs contrôlant l'interaction de la lumière avec un nanofil. L'objectif est d'exalter l'absorption pour des applications photovoltaïques ou la diffusion pour le contrôle de l'émission de lumière. Dans un premier temps, des calculs de la réponse optique de nanofils individuels d'alliages Si_{1-x}Ge_{x} effectués dans le cadre de la théorie analytique de Lorenz-Mie, montrent des résonances optiques ajustables dans la gamme du spectre solaire en fonction de la composition x en germanium et du diamètre du nanofil. Ces calculs sont confrontés aux spectres de diffusion élastique obtenus par microscopie optique confocale en champ sombre sur des nanofils isolés de différents diamètres et compositions. Dans un deuxième temps, l'étude théorique de la réponse optique est élargie à des structures complexes de type cœur/gaine Ge/Si et Si/Ge pour optimiser l'efficacité d'absorption par rapport à des nanofils simples, les hétérostructures radiales étant intéressantes dans une cellule solaire à base de nanofils. Enfin, l'optimisation de la diffusion de la lumière et l'exaltation du champ électromagnétique au voisinage du nanofil sont mis en évidence par l'exaltation de la photoluminescence d'un plan de nanocristaux de Si placé dans le champ proche d'un nanofil de Si qui se comporte comme une antenne, par analogie avec les nanostructures plasmoniques. De plus, nous établissons une corrélation entre l'augmentation de l'intensité du champ électrique local induite par la présence du nanofil, calculée par simulations numériques, et l'exaltation de la photoluminescence des nanocristaux.

  • Titre traduit

    Study of optical properties of individual nanowires of Si, Ge and their alloys and SiGe heterostructures for the control of the light absorption and scaterring


  • Résumé

    In this thesis is presented a study of the optical response of individual semiconductor nanowires in order to determine the key parameters controlling the interaction of light with a nanowire. The main objective is to enhance either the absorption efficiency for photovoltaic applications or the scattering efficiency for the control of light emission. In a first step, calculations of the optical response of single Si_{1-x}Ge_{x} nanowires performed using the analytical Mie theory, show that optical resonances occur in the solar sun wavelength range. Such resonances can be tuned by changing the nanowire diameter and Ge composition. The calculations are compared to light scattering experiments performed using dark field confocal optical microscopy on single nanowires of different diameter and Ge composition. In a second step, the theoretical study is extended to complex structures such as core-sheath Ge/Si structures to optimize the absorption efficiency compared to simple nanowires. At last, the nanowire-light emitter interaction is evidenced by the polarization dependent photoluminescence enhancement of a Si nanocrystal plane positioned in the near field of a Si nanowire, which one behaves as an optical antenna by analogy with plasmonic nanostructures. Furthermore, we show a correlation between the increase of the local electromagnetic field intensity, obtained by numerical simulations, and the Si nanocrystal photoluminescence enhancement.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (147 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 127-141

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2014 TOU3 0064
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