Development of polarimetric and emission pattern analysis : applied to determine a single nanoplatelet dipole

par Thu-Loan Nguyen

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Agnès Maître.

Soutenue le 26-10-2017

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Institut des Nanosciences de Paris / INSP (laboratoire) .

Le président du jury était Nicolas Treps.

Le jury était composé de Alexandra Fragola, Isabelle Maurin.

Les rapporteurs étaient Marie-Claire Schanne-Klein, Isabelle Robert-Philip.

  • Titre traduit

    Analyse polarimétrique et diagramme de rayonnement de nanoplaquettes colloïdales individuelles de CdSe/CdS


  • Résumé

    Le contrôle et l'optimisation des propriétés d'émission des nanomatériaux peuvent être obtenus par un couplage efficace entre nanoémetteurs et nanostructures permettant d’obtenir une directivité plus élevée, une dynamique d’émission plus rapide. Il est pour cela nécessaire d’obtenir l'accord spectral de l'émetteur avec les modes de nanostructures, le positionnement spatial du nanoémetteur à l'endroit où l'intensité du mode résonant de la nanostructure est maximale, et une orientation du dipôle nanoémetteur parallèle au champ électrique résonant. En plasmonique les résonances larges des modes permettent un accord spectral facile. L’accord spatial est plus difficile, mais des stratégies ont été mises en œuvre avec succès. Le contrôle de l'orientation du dipôle reste lui un défi. En plasmonique, par exemple, une interaction efficace ne peut être obtenue que pour des dipôles orthogonaux à la surface métallique. La détermination de l'orientation du dipôle émetteur est donc cruciale pour les dispositifs plasmoniques tels que les nano-antennes.Dans ma thèse, j'ai contribué au développement d'une méthode polarimétrie visant à analyser le dipôle émetteur d'un nanoémetteur et son orientation. J'ai effectué des expériences et les ai analysées. Le modèle décrit l'émission d'un dipôle proche d'une interface plane dans un large éventail de conditions expérimentales réalistes, en particulier le cas où le nanoémetteur se trouve à proximité d’un film d'or. Dans cette situation, pour des nanocristaux de CdSe/CdS assimilable à deux dipôles orthogonaux dégénérés, l'imagerie défocalisée n'est pas suffisamment sensible pour fournir des informations quantitatives fiables sur l'orientation de l'émetteur. A contrario, la polarimétrie permet de répondre à cette question. Avec le même modèle, le diagramme d'émission correspondant à l'émission dipolaire en champ lointain pour toutes ces conditions expérimentales a été calculé. En combinant la polarimétrie et l’étude des diagrammes de rayonnement, on peut obtenir des informations sur la structure dipolaire et l’orientation des dipôles. J'ai appliqué cette méthode pour étudier les nanoplaquettes semi-conductrices colloïdales de CdSe/CdS avec différentes formes géométriques : plaquettes carrées minces, plaquettes rectangulaires minces et plaquettes cubiques. J'ai établi une relation entre les structures géométriques des plaquettes et la nature et l'orientation de leurs dipôles émetteurs associés.


  • Résumé

    Control and optimization of nanomaterial emission properties, can be obtained thanks to efficient coupling between nanoemitters and nanostructures for achieving higher directivity, quicker dynamics. The requirements are the spectral tuning of the emitter to the nanostructures modes, the spatial positioning of the nanoemitter at the location of maximum intensity of the resonant nanostructure mode, and a proper orientation of the dipole nanoemitter. In plasmonics, the spectrally broad resonances make the spectral tuning easy. Whereas for spatial tuning, many strategies have been implemented successfully, the control of the dipole orientation remains a challenge. In plasmonics, for example, efficient interaction can only be achieved for dipoles orthogonal to the metallic surface. The determination of the orientation of the emitting dipole is thus very crucial for plasmonic devices such as nanoantennas. In my thesis, I contributed to the development of a polarimetric method aiming at the analysis of a nanoemitter’s emitting dipole and its orientation. I performed experiments and analyzed them. The model I used describes the emission of a dipole close to a plane interface in a wide range of realistic experimental conditions, including a very common case in plasmonics when the nanoemitter lies close a gold film. In this situation for CdSe nanocrystals which can be considered as two orthogonal degenerated emitting dipoles, the more standard defocused imaging method is not sufficiently sensitive to provide reliable quantitative information on the emitter’s orientation. With the same model, I also computed the emission diagram corresponding to the dipolar emission in far field for all these experimental conditions. By analyzing the emission’s polarization together with the emission pattern, I could determine the three-dimensional orientation of an emitting dipole. I applied this method to investigate the dipolar structure and orientation of colloidal semiconducting CdSe/CdS nanoplatelets with different geometries: thin square platelets, thin rectangular platelets, and cubic platelets. I established a relationship between the geometric structures of the platelets and the dimensionality and orientation of their associated emitting dipoles.


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