Colloidal nanocrystals applied for short-wave infrared photodetectors with fast response

par Hengyang Xiang

Thèse de doctorat en Chimie des matériaux

Sous la direction de Zhuoying Chen et de Lionel Aigouy.

Le président du jury était Stéphane Holé.

Le jury était composé de María Ujué González.

Les rapporteurs étaient Christian Bergaud, Séverine Gomès.

  • Titre traduit

    Nanocristaux colloïdaux appliqués aux photodétecteurs infrarouges à ondes courtes avec réponse apide


  • Résumé

    L'infrarouge à ondes courtes (SWIR) désigne généralement les photons dans la plage de longueurs d'onde allant de 1 à 3 micromètres. Les applications dans cette fenêtre de longueur d'onde exploitent divers avantages tels qu’une grande longueur de pénétration dans le tissu biologique, la couverture spectrale pour la vision nocturne atmosphérique et l'énergie d'excitation caractéristique de certains modes de vibration moléculaire. Les photodétecteurs SWIR sont donc les composants technologiques essentiels pour la communication optique, la détection de gaz dans l’environnement, le biodiagnostic et la vision nocturne passive. Les technologies SWIR actuelles reposent principalement sur des semi-conducteurs composés à faible bande interdite, tels que InGaAs, InSb, PbS et HgCdTe. Alors que les photodétecteurs SWIR classiques présentent une excellente détectivité, ils sont coûteux (en raison de la croissance requise par l'épitaxie) et / ou présentent un risque environnemental car impliquant des éléments hautement toxiques. Par conséquent, des efforts continus en matière de recherche et de développement concernant des systèmes de matériaux alternatifs et des méthodes de fabrication permettant d'élargir le champ des applications de la photodétection SWIR sont en cours. Ces dernières années, de nombreux nouveaux matériaux ont été proposés, notamment les nanocristaux de phosphore noir, de graphène, de MoS2 et de PbS colloïdal. Ils sont très prometteurs en termes de fonctionnement à des fréquences de modulation élevées et avec une excellente sensibilité. Cependant, certains inconvénients les éloignent toujours du marché: processus de production difficile (faible reproductibilité), non-adaptabilité à la fabrication à grande échelle, préoccupations de sécurité lors de la production en usine (en raison de l’utilisation d’éléments hautement toxiques). Alternativement, les nanoparticules colloïdales traitées en solution, telles que les nanorods d’or colloïdal (Au NR) et les nanoparticules fonctionnant par up-conversion (UCNP), présentent des caractéristiques intéressantes permettant de surmonter ces inconvénients: capacité de synthèse et de production à grande échelle et à faible coût, haute stabilité, faible toxicité biologique et bonne absorption optique des photons SWIR. Cette thèse a pour objectif d'appliquer ces nanoparticules colloïdales à la fabrication de photodétecteurs SWIR et d’étudiere des possibilités d’application dans le domaine de la photodétection. Quelques photodétecteurs SWIR (Au-NRs / Thermistance, photodétecteur Au-NRs / Pt et photodétecteur UCNPs / Polymers) ont été développés dans ce travail, montrant une sensibilité élevées. De plus, la fabrication de ces dispositifs est un procédé peu coûteux et évolutif vers la production de masse au niveau de la fois à la synthèse des matériaux et de la fabrication des composants, et ouvre une nouvelle voie sur le marché de la prochaine génération de photodétecteurs.


  • Résumé

    Short-wave infrared (SWIR) typically refers to the photons in the wavelength range from 1 to 3 micrometers. Applications in this wavelength window exploit various advantages such as long penetration length in biological tissue, spectral coverage of the atmospheric nightglow, and the characteristic excitation energy of certain molecular vibration modes. SWIR photodetectors are thus the key technological components to achieve optical communication, environmental gas sensing, biodiagnostics, and passive night vision. Current SWIR technologies mainly rely on low-bandgap compound semiconductors, such as InGaAs, InSb, PbS, and HgCdTe. While classical SWIR photodetectors exhibit excellent detectivity, they are costly (due to epitaxial growth requirement) and/or environment unfriendly involving highly toxic elements. There are, therefore, continuous research and development efforts for alternative material systems and fabrication methods to expand the scope of applications of SWIR photodetection. In recent years, many new materials have been proposed, including black phosphorus, graphene, MoS2, and colloidal PbS nanocrystals. They show great promise in terms of operation at high modulation frequencies or high sensitivity. But some disadvantages still keep them away from the market: rigorous production process (poor reproducibility), non-adaptability to scale-up fabrication, manufactory safety and security concerns (due to the use of highly toxic elements). Alternatively, solution-processed colloidal nanoparticles, such as colloidal gold nanorods (Au NRs) and upconversion nanoparticles (UCNPs), exhibit interesting characteristics possible to overcome these disadvantages: capability of scaling-up synthesis, solution-processability adaptable to low-cost fabrication, high stability, low biological toxicity, and good optical absorption for SWIR photons. This PhD thesis aims to apply these colloidal nanoparticles to fabricate SWIR photodetectors and verifies their possibilities for new generation of photodetection. A few SWIR photodetectors (Au-NRs/Thermistor, Au-NRs/Pt photodetector and UCNPs/Polymers photodetector) were developed in this work, showing high responsivity and sensitivity. In addition, the preparation of these devices is a low-cost and scalable up to mass production process both in the materials synthesis and device fabrication, opening a new and convenient path to the next-generation SWIR photodetectors.


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