Nanocristaux colloïdaux pour l'optoélectronique du visible à l'infrarouge à ondes courtes

Colloidal nanocrystals for optoelectronics from visible to short-wave infrared

• Auteur / Autrice : Huichen Zhang
• Direction : Emmanuel Lhuillier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 24/06/2025
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des nanosciences de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Carole Diederichs
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yvan Bonnassieux, Sébastien Sauvage
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Davy Gérard, Damien Aureau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement infrarouge

Photoluminescence

Dispositifs optoélectroniques

Cristaux colloïdaux

Nanocristaux semiconducteurs

Mots clés libres

Nanocristaux colloïdaux

Infrarouge

Cœur-coquille

Modulation de la lumière

Colloidal nanocrystals

Infrared

Core-Shell

Light modulation

Résumé

Les nanocristaux semi-conducteurs colloïdaux constituent une plateforme prometteuse pour les applications optoélectroniques, grâce à leur gap énergétique dépendant de la taille, leur synthèse peu coûteuse et leur traitement en solution. Ces propriétés ont permis leur intégration dans des dispositifs tels que les diodes électroluminescentes (LED), les photodétecteurs et les cellules solaires, avec un succès commercial notable dans les technologies d'affichage et d'imagerie. Cette thèse explore leur potentiel dans le spectre allant du visible à l'infrarouge à ondes courtes (SWIR), en mettant l'accent sur la modulation de la lumière, le dopage électronique et la stabilité thermique. Dans un premier temps, une modulation électro-optique efficace de la photoluminescence est démontrée dans des nanoplaquettes CdSe/ZnS, via une polarisation inverse compatible CMOS, et son mécanisme est analysé. Pour le domaine SWIR, l'étude se concentre sur les nanocristaux de PbS, avec une analyse systématique de l'alignement des niveaux d'énergie en fonction de la taille des particules, des ligands de surface et des stratégies de dopage à distance. Enfin, des capteurs plans à base de nanocristaux HgTe révèlent une dégradation due à la coalescence thermique. Des nanocristaux HgTe-CdS à cœur-coquille sont développés, offrant une stabilité améliorée, un courant d'obscurité réduit et une efficacité quantique externe accrue, marquant une avancée significative pour l'imagerie SWIR.

Colloidal semiconductor nanocrystals offer a compelling platform for optoelectronics due to their size-dependent bandgap, low-cost synthesis, and solution-processability. These properties have enabled their application in LEDs, photodetectors, and solar cells, with commercial success in display and imaging technologies. This thesis investigates their potential across the visible to short-wave infrared (SWIR) spectrum, focusing on light modulation, electronic doping, and thermal stability for advanced optoelectronic devices. The research begins by demonstrating efficient electro-optic modulation of photoluminescence in CdSe nanoplatelets under a CMOS-compatible reverse bias, and the underlying modulation mechanism is investigated. Extending into the SWIR range, the focus shifts to the nanocrystal properties relevant to SWIR imaging applications. This work presents a comprehensive study of energy level alignment in PbS nanocrystals, examining the effects of particle size, surface ligands, and remote doping. In the case of HgTe nanocrystals, a focal plane imager is fabricated, revealing performance degradation due to Joule heating-induced particle coalescence. To address this, HgTe-CdS core-shell nanocrystals with improved thermal and chemical stability are developed. Their integration into imagers achieves low dark current, long-term operational stability, and enhanced external quantum efficiency, representing a significant advancement in HgTe-based SWIR imaging technology.