Nanocristaux colloïdaux pour dispositifs optoélectroniques contrôlés optiquement à l'échelle nanométrique

Colloidal nanocrystals for optoelectronic devices optically controlled at the nanometric scale

• Auteur / Autrice : Mahima Chaudhary
• Direction : Charlotte Tripon-Canseliet, Zhuoying Chen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 01/12/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et d’étude des matériaux (Paris ; 2010-....) - Laboratoire de Physique et d'Etude des Matériaux (UMR 8213)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Tignon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charlotte Tripon-Canseliet, Zhuoying Chen, Zhenhua Sun, George Deligeorgis, Ni Zhao, Philippe Lang, Dinesh Kabra
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Zhenhua Sun, George Deligeorgis

Mots clés

Mots clés libres

Photodétecteurs

Photoconductivité

Conversion ascendante

Memory transistors

Nanoparticles

Photodetectors

Photoconductivity

Upconversion

Memory transistor

Nanoparticles

Résumé

L'optoélectronique est un domaine technologique en croissance rapide qui implique l'utilisation d'appareils électroniques pour générer, détecter et contrôler la lumière. Ces dispositifs peuvent être utilisés dans une variété d'applications telles que les commutateurs photoconducteurs, les systèmes de contrôle d'accès automatique, les télécommunications, la mémoire et bien d'autres. Parce qu'il s'agit d'un domaine si vaste, la variété des dispositifs qui relèvent de l'optoélectronique est vaste. Dans ceThèse de doctorat, Je suis particulièrement intéressédanstraitable en solutionnanomatériaux colloïdaux qui peuventpermettre les interactions lumière-matière.Pour commencer, je me suis d'abord concentré sur la synthèse colloïdale. Latravailler sur cette partie rendementsdeux types différents de nanocristaux colloïdaux :(1)NaYF4 dopé Er3+ nanocristaux, capables d'absorberet up-convertphotons infrarouges à ondes courtes tels que ceux avec= 1,5 µmaux photons visibles ; (2)points quantiques de carbone(CQD)avec dopage à l'azote, capable d'absorber les photons UVet les rétrograder en visiblefluorescence.Dès l'obtention du résultat souhaitécolloïdalnanocristaux aux propriétés optiques adaptées, j'ai ensuiteles a appliqués dansdeux types dedispositifs optoélectroniques : (je) Pcommutateurs thermoconducteurs, qui permettent un contrôle optique de l'amplitude et de la phase des signaux micro-ondes à transmettre. Pour obtenir des commutateurs photoconducteurs micro-ondes fonctionnels à = 1,55µm éclairage,le NaYF4 dopé Er3+ mentionné ci-dessusnanocristaux de conversion ascendanteétaientdéposé directement sur l'arséniure de gallium cultivé à basse température (LT-GaAs)pour réaliser des interrupteurs photoconducteurs. Les propriétés de ces appareils ont ensuite étécaractérisé. Grâce aux propriétés d'upconversion des photons de ces nanocristaux,l'exposition sur les interrupteurs photoconducteurs hybrides unRapport marche/arrêtplus de 2 fois plus élevé en décibels queladispositif de commande sansnanocristals appliqué. (ii) Effet de champmémoires optoélectroniques à base de transistors (FET).Dans ce champ,le support de stockage de chargejoue uncritiquerôleaude la mémoireperformance.Dans cette partie,jeexploite les propriétés uniques de piégeage et de rétention de charge dele susmentionnédes CQD colloïdaux dopés à l'azote (dopé N) pour réaliser des mémoires optoélectroniques fonctionnelles programmables par illumination UV et avec une possibilité d'écriture à plusieurs niveaux. En particulier, une fonction de mémoire de longue durée peut être obtenue grâce aux vastes sites de piégeage de trous fournis par ces CQD et à l'effet de photo-gating qui en résulte.excercised sur le graphène FET, tandis que l'effacement de la mémoire peut être réalisé via une polarisation de grille positive qui fournit suffisamment de porteurs pour la recombinaison de charge.Le résultat de cette thèse de doctoratpoints fortsles contrôles techniques et chimiques pour obtenirhaute performancedispositifs optoélectroniques tels que micro-ondescommutateurs photoconducteurs etmémoires optoélectroniques à base de FET non volatiles tout carbone par manipulation etrécoltelapropriétés optiques et électroniques des nanomatériaux colloïdaux.

Optoelectronics is a rapidly growing technology field that involves the use of electronic devices to source, detect, and control light. These devices can be used in a variety of applications such as photoconductive switches, automatic access control systems, telecommunications, memory, and many others. Because this is such a broad field, the variety of devices that fall under optoelectronics is vast. In this, PhD thesis, I am particularily intrested in solution processed colloidal nanomaterials that can allow light-matter intraction. To begin, I first focused on colloidal synthesis. The work on this part yileds two different types of colloidal nanocrystals : (1) Er3+-doped NaYF4 nanocrystals, capable to absorb and up-convert short-wave infrared photons such as those with  = 1.5 µm to visible photons; (2) carbon quantum dots (CQDs) with nitrogen-doping, capable to absorb UV photons and down-shift them into visible fluorescence. Upon obtaining the desired colloidal nanocrystals with suitable optical properties, I subsequently applied them into two type of optoelectronic devices: Photoconductive switches, which allow optical control over the magnitude and phase of microwave signals to be transmitted. To achieve microwave photoconductive switches functional at  = 1.55 µm illumination, the above-mentioned Er3+-doped NaYF4 upconversion nanocrystals were deposited directly onto low-temperature-grown gallium arsenide (LT-GaAs) to achieve photoconductive switches. The properties of these devices were then characterized. Thanks to the photon upconversion properties of these nanocrystals, the hybrid photoconductive switch exhibit an ON/OFF ratio more than 2-fold higher in decibels than the control device without nanocrystals applied. (ii) Field-effect transistor (FET)-based optoelectronic memories. In this field, the charge storage medium plays a critical role to the memory’s performance. In this part, I harnessed the unique charge-trapping and charge-retention properties of the above-mentioned colloidal nitrogen-doped (N-doped) CQDs to achieve functional optoelectronic memories programmable by UV illumination and with a multilevel writing possibility. In particular, a long-lasting memory function can be achieved thanks to the vast hole trapping sites provided by these CQDs and the resultant photo-gating effect excercised on the graphene FET, while memory erasing can be achieved via a positive gate bias that provides sufficient carriers for charge recombination. The result of this PhD thesis highlights the engineering and chemical controls to obtain high-performance optoelectronic devices such as microwave photoconductive switches and all-carbon non-volatile FET-based optoelectronic memories through manipulating and harvesting the optical and electronic properties of colloidal nanomaterials.