Exaltation et contrôle de la directivité de la photoluminescence d'émetteurs quantiques par couplage à des nanoantennes diélectriques

par Mélodie Humbert

Projet de thèse en Nanophysique

Sous la direction de Laurence Ressier et de Aurélien Cuche.

Thèses en préparation à Toulouse, INSA , dans le cadre de SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse , en partenariat avec LPCNO-IRSAMC - Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-Objets (laboratoire) depuis le 15-10-2018 .


  • Résumé

    L'objectif de la thèse est de fabriquer et étudier des systèmes photoniques hybrides, composés de nano-antennes de silicium et de nanoparticules fluorescentes, permettant de contrôler la photodynamique d'émission de ces émetteurs quantiques. Cette approche est essentielle pour le développement et le contrôle de sources de photons uniques à l'échelle nanométrique. Dans le cadre de cette thèse, les émetteurs utilisés sont des nano-diamants contenant des centres colorés (NV-) dispersés en solution, avec des diamètres de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres. Les nanoantennes diélectriques correspondent à des nanostructures obtenues sur substrats de type silicium sur isolant (SOI) fabriqués par lithographie électronique grâce à une collaboration avec le LAAS-CNRS de Toulouse. Par ailleurs, la géométrie de ces structures est choisie grâce à des simulations électrodynamiques bien maîtrisées au CEMES : méthode dyadique de Green (GDM). Le positionnement fin à la fois spatialement et quantitativement des émetteurs au-dessus des nanoantennes est réalisé grâce à la technique d'assemblage dirigé dite de nanoxérographie par AFM, technique développée dans l'équipe Nanotech du LPCNO. Elle consiste à injecter localement des points de charges électrostatiques via la pointe d'un microscope AFM polarisée sur les zones d'intérêt des nanoantennes. Ces points de charges servent de pièges électrostatiques sélectifs pour les émetteurs. Une fois le système émetteur/antenne réalisé, les caractérisations optiques sont réalisées au CEMES. Un dispositif de microscopie optique confocale permet d'obtenir des cartographies de photoluminescence des émetteurs, ainsi que des mesures d'autocorrélation en intensité pour compter le nombre d'émetteurs de photons uniques; la modification de la dynamique d'émission des centres colorés est étudiée grâce à des mesures de temps de vie de fluorescence.

  • Titre traduit

    Directed and enhanced photoluminescence of quantum nanoemitters using all-dielectric nanoantennas


  • Résumé

    The main objective of this thesis is the production and the study of hybrid photonic systems made of silicon nanoantennas and fluorescent nanoparticles, allowing for enhancement of the light emitted by these quantum emitters. This approach is essential for the development and the control of single photon emitters at nanoscale. In this thesis, the fluorescent emitters are colloidal nanodiamonds hosting colored centers (NV-), with typical diameters of few tens of nanometers. The dielectric nanoantennas are fabricated by ebeam lithography on silicon on insulator (SOI) substrates thanks to an active collaboration with the LAAS laboratory at Toulouse. Moreover, the geometry of these dielectric nanostructures is chosen by the mean of electrodynamic simulations available at CEMES (Green dyadic method (GDM). The spatial and quantitative positioning of the fluorescent emitters above dielectric nanoantennas is performed by a directed assembling technic called AFM nanoxerography. This technic has been developed in the Nanotech team of LPCNO. It relies on the local injection of electrostatically charged dots by the mean of an AFM tip which is polarized when positioned above the areas of interest (dielectric nanoantennas). These charged dots act as selective electrostatic traps for the emitters. Once the emitter-antenna hybrid systems are fabricated, the spatial distribution of the photonic local density of states is measured by mapping the photoluminescence of the emitters. These optical characterizations are performed at CEMES.