Control of the emission properties of semiconducting nanowire quantum dots using plasmonic nanoantennas

par Mathieu Emmanuel Jeannin

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Gilles Nogues et de Kuntheak Kheng.

Soutenue le 28-10-2016

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Serge Huant.

Le jury était composé de Jaime Gómez Rivas, Nicolas Chauvin.

Les rapporteurs étaient Maria Chamarro, Jean-Jacques Greffet.

  • Titre traduit

    Contrôle des propriétés d'émission de nanofils semiconducteurs par nanostructures plasmoniques


  • Résumé

    Ce travail de thèse porte sur l'étude du couplage entre des boîtes quantiques (BQs) insérées dans des nanofils à semiconducteurs et des antennes plasmoniques. Un couplage efficace requiert une caractérisation complète des leurs propriétés optiques respectives, pour assurer un recouvrement spectral et spatial de l'émission de la boîte et du mode de l'antenne et l'alignement de la polarisation du mode plasmonique avec l'émission de la BQ.Les propriétés optiques d'antennes patchs plasmoniques circulaires ont été étudiées par cathodoluminescence (CL). Nous avons montré avec un modèle analytique de la densité locale d'états électromagnétiques (DLE) au voisinage des antennes que leurs résonances sont des superpositions de modes de Bessel d'ordre radiaux et azimutaux différents. Nous avons fabriqué et caractérisé des antennes mono et multimodes, et trouvé que la partie radiative de la DLE n'est pas la seule contribution au signal de CL. De plus, nous avons caractérisé des antennes de différentes épaisseur du plan diélectrique ou différents matériaux. L'analyse de ces résultats nous pousse à proposer une interprétation des contributions au signal de CL annexes à la partie radiative de la DLE supportée par l'antenne. Nous avons de plus démontré la fabrication d'antennes patchs en aluminium opérant dans la partie bleue du spectre électromagnétique, et appliqué la CL à d'autres géométries d'antennes.Nous avons également étudié différentes boîtes quantiques insérées dans des nanofils à semiconducteurs faits d'alliages de matériaux II-VI. Des émetteurs uniques sont étudiés par microphotoluminescence (µPL). Des mesures résolues en temps ou par microscopie de Fourier permettent une caractérisation spectrale, temporelle et la détermination de leur diagramme de rayonnement. Nous avons de plus mis en évidence les variations de propriétés optiques des émetteurs dues aux inhomogénéité de fabrication en étudiant un large ensemble de BQs. La modélisation complète des propriétés électroniques et optiques d'une boîte unique est proposée en utilisant la microscopie de Fourier résolue en polarisation, et une étape de spectroscopie magnéto-optique.Enfin, nous avons développé une méthode de lithographie électronique en deux étapes basée sur le repérage d'un émetteur unique par CL, permettant la fabrication d'antennes plasmoniques couplées de façon déterministe à des BQs insérées dans des nanofils. L'étude de ce couplage révèle un accroissement de l'absorption du faisceau d'excitation accompagné d'une accélération de l'émission de la boîte par couplage radiatif. Il en résulte une exaltation jusqu'à un facteur 2 de la µPL des boîtes.


  • Résumé

    In this work, we study the coupling between plasmonic nanoantennas and semiconducting nanowire quantum dots (NWQDs). This coupling requires spectral, spatial and polarisation matching of the antenna mode and of the NWQD emission. Hence, a full characterisation of both the antenna system and the NWQDs has to be performed to determine a relevant coupling geometry.Using cathodoluminescence (CL) we investigate the relation between the CL signal of circular patch plasmonic antennas and the electromagnetic local density of states (LDOS). The successive resonances supported by these antennas are complex superimpositions of Bessel modes of different radial and azimuthal order. Applying an analytical LDOS model, we show that we can fabricate and characterise antennas down to single mode resonances. However, the antennas CL spectrum goes beyond the radiative part of the LDOS. By changing the spacing layer thickness and the antennas materials, we propose an explanation for the origin of the additional CL signal we observe that is not related to the radiative LDOS of the patch antennas. We also demonstrate the fabrication of Al patch antennas working in the blue spectral range and apply our method to other geometries.We perform optical characterisation of different quantum dots (QDs) embedded inside semiconducting nanowires (NWs) made of II-VI materials. We use microphotoluminescence (µPL) to study the emission of single NWQDs. Time-resolved measurements and Fourier imaging allows us to extract their exciton lifetime and radiation patterns. The variability in the emission properties of the NWQDs due to inhomogeneity in the growth process are evidenced by studying a statistical set of nanowires. A complete model based on polarisation-resolved Fourier imaging and magneto-optical spectroscopy is detailed, allowing to fully determine the QD electronic and optical properties for an individual system.Finally, we develop a cathodoluminescence-based two-step electron-beam lithography technique to deterministically fabricate plasmonic antennas coupled to NWQDs, enhancing their µPL properties. The coupling results in an enhanced absorption of the pump laser inside the NW and in an increase of the radiative rate of the QD, leading to up to a two-fold intensity enhancement factor for the coupled system.


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