Applications en optoélectronique des nanocristaux colloïdaux : le cas des photodétecteurs et des diodes électroluminescentes

Colloidal semiconductor nanocrystals for optoelectronic applications : photodetectors and light emitting diodes

• Auteur / Autrice : Junling Qu
• Direction : Emmanuel Lhuillier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 29/04/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des nanosciences de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Corinne Chanéac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Davy Gérard, Bruno Masenelli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lionel Hirsch, Dmitry Aldakov

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détecteurs de rayonnement infrarouge

Dispositifs électroluminescents

Résonance plasmonique de surface

Cristaux colloïdaux

Nanocristaux semiconducteurs

Mots clés libres

Nanocristaux colloïdaux

Semi-conducteurs

Optoélectronique

Photodétecteur infrarouge

Nanocristaux sans métaux lourds

Diodes électroluminescentes

Colloidal nanocrystals

Infrared photodetection

Light emitting diodes

Résumé

Les nanocristaux dont la dimension est inférieure à leur rayon de Bohr excitonique peuvent fournir des propriétés optoélectroniques accordables avec la taille. Cela permet d’obtenir des propriétés électroniques à façon. En particulier, le développement de la synthèse par voie colloïdale des nanocristaux en fait des briques élémentaires prometteuses pour des applications optoélectroniques à bas coût. Ma thèse cible deux aspects des dispositifs à base de nanocristaux: les photodétecteurs infrarouges et les diodes électroluminescentes (LED). Ma thèse est d'abord centrée sur la photodétection infrarouge sans métaux lourds utilisant soit la transition intrabande d'Ag2Se, soit des nanocristaux plasmoniques ITO. J'ai étudié leurs propriétés optiques et de transport ainsi que leur spectre électronique. J’ai ensuite testé leurs performances pour la photodétection infrarouge. Les performances obtenues sont mises en perspective par rapport à leurs homologues contenant des métaux lourds. Dans une seconde partie de ma thèse, je me focalise sur les LEDs à base de nanocristaux avec des longueurs d’onde visées à la fois dans le visible et le proche infrarouge. La LED visible conçue à l'aide de nanoplaquettes CdSe/CdZnS montre une faible tension de fonctionnement et la durée de vie la plus longue obtenue pour les LED à base de nanoplaquettes. Ensuite, cette LED est couplée à un photodétecteur PbS maison pour réaliser pour la première fois une communication de type LiFi tout nanocristal. Pour les LED proche infrarouge, j’ai utilisé HgTe comme matériau optiquement actif. En formant une hétérojonction à partir de HgTe / ZnO, une LED infrarouge lumineuse capable d'imagerie active est obtenue.

Nanocrystals with a dimension below their excitonic Bohr radius can provide size-tunable optoelectronic properties, enabling on-demand tailoring of properties for specific applications. Especially, the advance of wet chemistry synthesis of colloidal nanocrystals makes them promising building blocks for the next-generation solution-processible low-cost optoelectronics such as light emitting, sensing, and harvesting. My thesis targets two aspects of the nanocrystal-based devices: infrared (IR) photodetector and light emitting diode (LED). My thesis is first focused on the heavy-metal-free IR photodetection using the intraband transition of self-doped Ag2Se or the plasmonic resonance of remotely doped ITO (tin doped indium oxide) nanocrystals. Before integrating them to photoconductive devices, I study their optical and transport properties as well as their energy spectra. I then test their IR photodetection performance and rationalize their weak performance compared with their heavy metal counterparts. In the second part of my thesis, I advance to the all-solution nanocrystal-based LEDs in the visible and SWIR, with an emphasis on their practical applications. The designed visible LED using CdSe/CdZnS nanoplatelets (NPLs) shows the lowest turn-on voltage and the longest lifetime for NPL-based LED. I also provide insights on the origin of efficiency droop. Then, this LED is coupled with a homemade PbS broadband photodetector to achieve, for the first time, an all-nanocrystal based LiFi-like communication setup. For SWIR LEDs, HgTe is used as IR emitter. By forming a HgTe/ZnO bulk heterojunction in the emitting layer, a bright SWIR LED capable of active imaging is obtained.