Synthèse et caractérisation de nanoplaquettes bi-émittrice

Synthesis and characterization of bi-emitting nanoplatelets

• Auteur / Autrice : Corentin Dabard
• Direction : Emmanuel Lhuillier, Sandrine Ithurria-Lhuillier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 24/10/2023
• 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 : Alberto Bramati
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Goldner, Jean-Yves Piquemal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Damien Boyer, Lise-Marie Lacroix

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chalcogénures

Photoluminescence

Nanocristaux semiconducteurs

Mots clés libres

Nanocristaux

Synthèse colloïdale

Photoluminescence

Nanocrystals

Colloidal synthesis

Photoluminescence

Résumé

Les nanoplaquettes de chalcogénures de cadmium sont des semiconducteurs de la famille des II-VI présentant à la fois un confinement quantique unidimensionnel et une large extension latérale. Leurs synthèses, définies à la monocouche atomique près, confèrent à ces matériaux de fines propriétés optiques. Cette particularité justifie l’intérêt que j’ai porté à ces matériaux tout au long de ma thèse. Dans un premier temps, des particules émettant deux couleurs différentes ont été synthétisées. La difficulté pour réaliser de telles particules réside dans la règle de Kasha. Pour surpasser cette contrainte, une hétérostructure cœur-couronne-couronne de CdSe-CdTe-CdSe a été synthétisée. Dans une telle particule, une large luminescence rouge (650 nm) est obtenue par recombinaison de l’exciton à l’interface CdSe/CdTe tandis qu’une fine luminescence verte (512 nm) est obtenue par la recombinaison de bord de bande dans le CdSe. En jouant sur les paramètres géométriques des différentes couronnes ainsi que sur la puissance d’excitation, une modulation du ratio vert-rouge est possible grâce au contrôle de la dynamique de recombinaison non-radiative Auger. L’incorporation de cette hétérostructure à l’intérieur d’un dispositif LED a également permis d’obtenir une électroluminescence bi couleur. Une stratégie similaire à ensuite été mise en place pour obtenir une particule émettant à la fois dans le bleu et dans le jaune. Ces particules bidimensionnelles peuvent également être utiles pour obtenir des émetteurs fins dans le proche infra-rouge. Durant ma thèse, la synthèse d’une nouvelle classe de nanoplaquettes à base de chalcogénure de mercure (HgSexTe1-x) a permis de sonder cette gamme optique. En particulier, l’optimisation du processus d’échange cationique a rendu possible l’obtention d’une modulation de la photoluminescence dans le proche infra-rouge. Le développement d’un processus de dépôt limitant la dégradation des propriétés optiques de nanoplaquettes de HgTe a également permis la fabrication du premier dispositif électroluminescent utilisant des nanoplaquettes à base de mercure ainsi que l’observation d’une émission orientée grâce au couplage d’un film de nanoplaquette de HgTe avec le plasmon généré par une nanostructure métallique.

Cadmium chalcogenide nanoplatelets are II-VI semiconductors that exhibit both one-dimensional quantum confinement and a large lateral extension. Their syntheses, defined at the atomic monolayer scale, confer fine optical properties to these materials. This particularity justifies the interest I have had in these materials throughout my thesis. First, particles emitting two different colors were synthesized. The challenge in creating such particles lies in Kasha's rule. To overcome this constraint, a core-crown-crown heterostructure of CdSe-CdTe-CdSe was synthesized. In such a particle, a broad red luminescence (650 nm) is obtained through exciton recombination at the CdSe/CdTe interface, while a narrow green luminescence (512 nm) is achieved through band edge recombination in CdSe. By adjusting the geometric parameters of the different crowns and the excitation power, modulation of the green-red ratio is possible thanks to the control of the dynamic of the non-radiative Auger recombination. Incorporating this heterostructure into an LED device allowed for the achievement of dual-color electroluminescence. A similar strategy was then implemented to obtain a particle emitting both blue and yellow lights. These two-dimensional particles can also be useful for obtaining fine emitters in the near-infrared range. During my thesis, the synthesis of a new class of nanoplatelets based on mercury chalcogenide (HgSexTe1-x) enabled exploration of this optical range. In particular, the optimization of the cation exchange process made it possible to achieve modulation of photoluminescence in the near-infrared. The development of a deposition process that limits the degradation of the optical properties of HgTe nanoplatelets also enabled the fabrication of the first electroluminescent device using mercury-based nanoplatelets. The plasmonic coupling of an HgTe nanoplatelet film with a metallic nanostructure allowed the achievement of directional emission.