Transfert d’énergie et effets de fluorescence collective dans des auto-assemblages de nanoparticules de semi-conducteur

Energy migration and collective fluorescence effects from self-assembled semiconducting nanoplatelets

• Auteur / Autrice : Zakarya Ouzit
• Direction : Laurent Coolen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des nanosciences de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Tessier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Céline Fiorini-Debuisschert, Benjamin Abecassis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphanie Buil, Florian Kulzer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluorescence

Semiconducteurs

Transfert d'énergie entre molécules fluorescentes

Autoassemblage

Propriétés optiques

Nanostructures

Mots clés libres

Nanoplaquettes

Auto-assemblage

FRET

Fluorescence

Scintillement

Superradiance

Nanoplatelets

Self-Assembly

FRET

Fluorescence

Blinking

Superradiance

Résumé

Les nanoplaquettes colloïdales de semi-conducteur sont connues pour leurs propriétés optiques remarquables. Plusieurs applications les impliquant sont à l'étude dans les domaines de l'opto-électronique, de la photovoltaïque et de l'informatique quantique. De ce fait, il est intéressant d'anticiper les propriétés collectives qui découlent de leurs interactions lorsqu’elles sont assemblées. Dans le cadre de ce travail, j'ai pu étudier par micro-photoluminescence des chaînes unidimensionnelles de nanoplaquettes de CdSe auto-assemblées dans lesquelles des transferts d'énergie par FRET ont été mis en évidence. Nous avons tout d'abord observé des fluctuations temporelles dans la fluorescence de plusieurs chaînes, rappelant le clignotement des nanoplaquettes isolées. Nous expliquons ces fluctuations par l'inhibition de l'émission de jusqu'à 35 nanoplaquettes par une nanoplaquette défectueuse et pilotée par les interactions par FRET, plus rapides que les autres effets excitoniques. Un modèle analytique de marche aléatoire a été développé pour soutenir cette explication. D'autre part, nous avons observé une accélération dans la dynamique de déclin des chaînes comparé au comportement des nanoplaquettes individuelles ainsi que la présence d'une composante faisant état d'une émission retardée. Nous expliquons ces particularités par les interactions par FRET entre nanoplaquettes qui siphonnent les excitons le long d'une chaîne vers deux sites particuliers : un site quencher siège de recombinaisons non radiatives rapides et un site piège de charges. Enfin, la possibilité d'observer de la superradiance dans ces échantillons a été étudiée dans le cadre d’une description semi-classique.

Colloidal semiconducting nanoplatelets are known for their remarkable optical properties. Several applications involving them are being studied in the fields of optoelectronics, photovoltaics and quantum computing. To that extent, it's important to anticipate the collective properties that arise from their interactions when assembled. In this work, I was able to use micro-photoluminescence to study linear chains of self-assembled CdSe nanoplatelets in which FRET energy transfers have been shown. We first observed temporal fluctuations in the fluorescence of several chains, reminiscent of the blinking of isolated nanoplatelets. We explain these fluctuations by the inhibition from a defective quencher nanoplatelet of an emitting area of up to 35 nanoplatelets and driven by FRET interactions, faster than other excitonic effects. An analytical random walk model has been developed to support this explanation. On the other hand, we observed an acceleration in chain decay dynamics compared to the behaviour of single isolated nanoplatelets, as well as the presence of a delayed emission component. We explain these effects by FRET interactions between nanoplatelets which lead to excitons diffusion along a chain to two particular sites: a quencher site, where fast non-radiative recombination occurs, or a charge trap site. Finally, the possibility of observing superradiance in these samples was investigated through a semi-classical description of the phenomenon.