Étude des propriétés optoélectroniques de nanocristaux colloïdaux à faible bande interdite : application à la détection infrarouge

Axe 4 - Dimensionnalité et confinement

Thèse de Bertille Martinez

Soutenance de thèse le 10 juillet 2019, 14h
Salle 317 - Couloir 22-23
Campus Pierre et Marie Curie

Membres du jury

• Laurence Ressier (INSA Toulouse)
• Bruno Masanelli (INSA Lyon)
• Alexa Courty (SU
• Nicolas Pere Laperne (Sofradir)
• Emmanuelle Lacaze (CNRS SU, directrice de thèse)
• Emmanuel Lhuillier (CNRS SU)

Laboratoire co-porteurs

• Institut des NanoSciences de Paris (INSP)
  Porteur de projet : Emmanuel Lhuillier 
  Co-encadrant : Emmanuelle Lacaze
• Laboratoire de physique et d’étude des matériaux (LPEM) – ESPCI
  Co-encadrant : Sandrine Ithurria

Résumé du projet

Le but du projet est de mesurer et contrôler la densité de porteurs dans les réseaux de nanocristaux colloïdaux. Ces nanocristaux sont des nanoparticules de semiconducteur, dont le spectre optique peut facilement être ajusté via le confinement quantique sur une large plage spectrale allant de l‘UV au THz. Dans ce projet nous nous focalisons en particulier sur les matériaux à très faible bande interdite présentant des transitions dans la gamme infrarouge. En dopant ce type de matériaux il est possible de faire apparaitre des transitions intrabandes qui sont l’analogue à zéro dimension des transitions intersoubandes dans les puits quantiques. 

Nous avons entrepris une étude systématique de la caractérisation sur spectre électronique de ces matériaux en combinant des mesures de photoémission et de spectroscopie infrarouge. Cela nous permet de reconstruire en énergie absolue (ie vs le vide) la position de la  bande de valence et des différents états de la bande de conduction. Nous avons  mis en évidence un contrôle du dopage via la chimie de surface greffée sur les nanoparticules.

Un autre aspect important de ce projet est lié à l’étude des propriétés de conduction de ces matériaux. Nous avons en particulier pu mettre en évidence une transition métal isolant dans les réseaux de nanocristaux dopés en jouant sur le confinement quantique.

Enfin nous étudions l’intégration de ces matériaux comme matériaux optiquement actifs pour la photodétection infrarouge.

Ce travail se fait en collaboration entre le laboratoire LPEM de l’ESPCI qui est en charge de la synthèse des matériaux et l’INSP pour la partie structure électronique et transport.

Collaborations liées à ce projet

• C2N, Abdelkarim Ouerghi
• IPCM, Florence Volatron
• IPCMS, Jean Francois Dayen
• LPEM, Ricardo Lobo
• Synchrotron Soleil, Mathieu Silly

Presse

• Des nanomatériaux dans le domaine THzFaits d'actualité du CNRS, Mai 2018

Publications liées à ce projet impliquant Bertille Martinez

1. Marion Dufour, Violette Steinmetz, Eva Izquierdo, Thomas Pons, Nicolas Lequeux et al.
   Engineering Bicolor Emission in 2D Core/Crown CdSe/CdSe 1– x Te x Nanoplatelet Heterostructures Using Band-Offset Tuning
   The Journal of Physical Chemistry C, ACS American Chemical Society - Publications, 2017, 121 (44), pp.24816 - 24823.
   DOI : 10.1021/acs.jpcc.7b06527
   Ref HAL : hal-01668079v1
2. Clément Livache, Eva Izquierdo, Bertille Martinez, Marion Dufour, Debora Pierucci et al.
   Charge Dynamics and Optolectronic Properties in HgTe Colloidal Quantum Wells
   Nano Letters, American Chemical Society, 2017, 17 (7), pp.4067-4074.
   DOI : 10.1021/acs.nanolett.7b00683
   Ref HAL : hal-01541341v1 
3. Hervé Cruguel, Clément Livache, Bertille Martinez, Silvia Pedetti, Debora Pierucci et al. 
   Electronic structure of CdSe-ZnS 2D nanoplatelets
   Applied Physics Letters, American Institute of Physics, 2017, 110 (15), pp.152103.
   DOI : 10.1063/1.4980065
   Ref HAL : hal-01508744v1 
4. Wasim Mir, Alexandre Assouline, Clément Livache, Bertille Martinez, Nicolas Goubet et al. 
   Electronic properties of (Sb;Bi) 2 Te 3 colloidal heterostructured nanoplates down to the single particle level OPEN
   Scientific Reports, Nature Publishing Group, 2017, 7, pp.9647 - 9647.
   DOI : 10.1038/s41598-017-09903-w
   Ref HAL : hal-01578455v1
5. Bertille Martinez, Clément Livache, L.Donald Mouafo Notemgnou, Nicolas Goubet, Sean Keuleyan et al. 
   HgSe self-doped nanocrystals as a platform to investigate the effects of vanishing confinement
   ACS Applied Materials & Interfaces, Washington, D.C. : American Chemical Society, 2017, 9 (41), pp.36173-36180.
   DOI : 10.1021/acsami.7b10665
   ref HAL : hal-01597949v1 
6. Bertille Martinez, Clément Livache, Nicolas Goubet, Amardeep Jagtap, Hervé Cruguel et al. 
   Probing Charge Carrier Dynamics to Unveil the Role of Surface Ligands in HgTe Narrow Band Gap Nanocrystals
   The Journal of Physical Chemistry C, ACS American Chemical Society - Publications, 2017, 122 (1), pp.859-865.
   DOI : 10.1021/acs.jpcc.7b09972
   Ref HAL : hal-01668080v1 
7. Clément Livache, Nicolas Goubet, Bertille Martinez, Amardeep Jagtap, Junling Qu et al.
   Band Edge Dynamics and Multiexciton Generation in Narrow Band Gap HgTe Nanocrystals
   ACS Applied Materials & Interfaces, Washington, D.C. : American Chemical Society, 2018, 10 (14), pp.11880-11887.
   DOI : 10.1021/acsami.8b00153
   Ref HAL : hal-01764928v1 
8. Amardeep Jagtap, Clément Livache, Bertille Martinez, Junling Qu, Audrey Chu et al. 
   Emergence of intraband transitions in colloidal nanocrystals
   Optical Materials Express, OSA pub, 2018, 8 (5), pp.1174.
   DOI : 10.1364/OME.8.001174
   Ref HAL : hal-01764909v1
9. Wasim Mir, Clément Livache, Nicolas Goubet, Bertille Martinez, Amardeep Jagtap et al. 
   Strategy to overcome recombination limited photocurrent generation in CsPbX 3 nanocrystal arrays
   Applied Physics Letters, American Institute of Physics, 2018, 112 (11), pp.113503.
   DOI : 10.1063/1.5009432
   Ref HAL : hal-01736970v1
10. Nicolas Goubet, Amardeep Jagtap, Clément Livache, Bertille Martinez, Hervé Portalès et al. 
    Terahertz HgTe Nanocrystals: Beyond Confinement
    Journal of the American Chemical Society, American Chemical Society, 2018, 140 (15), pp.5033-5036.
    DOI : 10.1021/jacs.8b02039
    Ref HAL : hal-01764916v1
11. Clément Livache, Nicolas Goubet, Bertille Martinez, Eva Izquierdo, Charlie Gréboval et al. 
    HgTe, the Most Tunable Colloidal Material: from the Strong Confinement Regime to THz Material
    MRS Advances, 2018, pp.1 - 9.
    DOI : 10.1557/adv.2018.409
    Ref HAL : hal-01782488v1 
12. Eva Izquierdo, Marion Dufour, Audrey Chu, Clément Livache, Bertille Martinez et al.
    Coupled HgSe colloidal quantum wells through a tunable barrier: a strategy to uncouple optical and transport band gap
    Chemistry of Materials, American Chemical Society, 2018
    DOI : 10.1021/acs.chemmater.8b01028
    Ref HAL : hal-01797591v1
13. Nicolas Goubet, Clément Livache, Bertille Martinez, Xiang Zhen Xu, Sandrine Ithurria et al. 
    Wavefunction engineering in HgSe/HgTe colloidal heterostructures to enhance mid infrared photoconductive properties
    Nano Letters, American Chemical Society, 2018,
    DOI : 10.1021/acs.nanolett.8b01861
    Ref HAL : hal-01807510v1
14. Amardeep Jagtap, Nicolas Goubet, Clément Livache, Audrey Chu, Bertille Martinez et al. 
    Short Wave Infrared Devices Based on HgTe Nanocrystals with Air Stable Performances
    The Journal of Physical Chemistry C, ACS American Chemical Society - Publications, 2018, 122 (26), pp.14979-14985.
    DOI : 10.1021/acs.jpcc.8b03276
    Ref HAL : hal-01811285v1
15. Junling Qu, Nicolas Goubet, Clément Livache, Bertille Martinez, Dylan Amelot et al.
    Intraband Mid-Infrared Transitions in Ag 2 Se Nanocrystals: Potential and Limitations for Hgfree Low Cost Photodetection
    The Journal of Physical Chemistry C, ACS American Chemical Society - Publications, 2018,
    DOI : 10.1021/acs.jpcc.8b05699〉
    Ref HAL : hal-01849301v1
16. Junling Qu, Clément Livache, Bertille Martinez, Charlie Gréboval, Audrey Chu, Elisa Merrigio, Julien Ramade, Hervé Cruguel, Xiangzhen Xu, Anna Proust, Florence Volatron, Gregory Cabailh, Nicolas Goubet, Emmanuel Lhuillier
    Transport in ITO Nanocrystals with Short- to Long-Wave Infrared Absorption for Heavy Metal-Free Infrared Photodetection
    ACS Applied Nano Materials
    Ref HAL : hal-02043472
17. Marion Dufour, Eva Izquierdo, Clément Livache, Bertille Martinez, Mathieu Silly, Thomas Pons, Emmanuel Lhuillier, Christophe Delerue, Sandrine Ithurria
    Doping as Strategy to Tune Color of 2D colloidal Nanoplatelets
    ACS Appl Mater Interfaces - ACS Applied Materials & Interfaces
18.  Charlie Gréboval, Eva Izquierdo, Clément Livache, Bertille Martinez, Marion Dufour, Nicolas Goubet, Nicolas Moghaddam, Junling Qu, Audrey Chu, Julien Ramade, Hervé Aubin, Hervé Cruguel, Mathieu Silly, Emmanuel Lhuillier, Sandrine Ithurria
    Impact of dimensionality and confinement on the electronic properties of mercury chalcogenide nanocrystals
    Nanoscale
19. Bertille Martinez, Clément Livache, Elisa Meriggio, Xiang Zhen Xu, Hervé Cruguel, Emmanuelle Lacaze, Anna Proust, Sandrine Ithurria, Mathieu Silly, Gregory Cabailh, Florence Volatron, Emmanuel Lhuillier
    Polyoxometalate as Control Agent for the Doping in HgSe Self-Doped Nanocrystals
    J Phys Chem C - Journal of Physical Chemistry C
20. Amardeep Manikrao Jagtap, Bertille Martinez, Nicolas Goubet, Audrey Chu, Clément Livache, Charlie Gréboval, Julien Ramade, Dylan Amelot, Paul Trousset, Amaury Triboulin, Sandrine Ithurria, Mathieu Silly, Benoît Dubertret, Emmanuel Lhuillier
    Design of Unipolar Barrier for Nanocrystal Based Short Wave Infrared Photodiode
    ACS photonics
21. Clément Livache, Bertille Martinez, Nicolas Goubet, Julien Ramade, Emmanuel Lhuillier
    Road Map for Nanocrystal based Infrared Photodetectors
    Frontiers in Chemistry

Autres publications liées à ce projet 

1. Adrien Robin, Clément Livache, Sandrine Ithurria, Emmanuelle Lacaze, Benoit Dubertret et al.
   Surface Control of Doping in Self-Doped Nanocrystals
   ACS Applied Materials & Interfaces, Washington, D.C. : American Chemical Society, 2016, 8 (40), pp.27122 - 27128.
   DOI : 10.1021/acsami.6b09530
   Ref HAl : hal-01438644v1
2. Hugo Henck, Debora Pierucci, Julien Chaste, Carl H. Naylor, Jose Avila et al.
   Electrolytic phototransistor based on graphene-MoS 2 van der Waals p-n heterojunction with tunable photoresponse
   Applied Physics Letters, American Institute of Physics, 2016, 109 (11), pp.113103.
   DOI : 10.1063/1.4962551
   Ref HAL : hal-01438654v1
3. Eva Izquierdo, Adrien Robin, Sean Keuleyan, Nicolas Lequeux, Emmanuel Lhuillier et al.
   Strongly Confined HgTe 2D Nanoplatelets as Narrow Near-Infrared Emitters
   Journal of the American Chemical Society, American Chemical Society, 2016, 138 (33), pp.10496 - 10501.
   DOI : 10.1021/jacs.6b04429
   Ref HAL hal-01420371v1
4. Michel Nasilowski, Benoit Mahler, Emmanuel Lhuillier, Sandrine Ithurria, Benoit Dubertret.
   Two-Dimensional Colloidal Nanocrystals
   Chemical Reviews, American Chemical Society, 2016, 116 (18), pp.10934 - 10982.
   DOI : 10.1021/acs.chemrev.6b00164
   Ref HAL : hal-01419586v1
5. Benoit Mahler, Loic Guillemot, Léo Bossard-Giannesini, Sandrine Ithurria, Debora Pierucci et al.
   Metallic Functionalization of CdSe 2D Nanoplatelets and Its Impact on Electronic Transport
   Journal of Physical Chemistry C, American Chemical Society, 2016, 120 (23), pp.12351-12361.
   DOI : 10.1021/acs.jpcc.6b02101
   Ref HAL : hal-01347065v1
6. A. Robin, E. Lhuillier, X. Z. Xu, S. Ithurria, H. Aubin, A. Ouerghi, and B. Dubertret
   Engineering the Charge Transfer in all 2D Graphene-Nanoplatelets Heterostructure Photodetectors
   Scientific Reports, Nature Publishing Group, 2016, 6, pp.24909.
   DOI : 10.1038/srep24909
   Ref HAL : hal-01438636
7. Damien Canneson, Elena V. Shornikova, Dmitri R. Yakovlev, Tobias Rogge, Anatolie A. Mitioglu et al. 
   Negatively charged and dark excitons in CsPbBr3 perovskite nanocrystals revealed by high magnetic fields
   Nano Letters, American Chemical Society, 2017, 17 (10), pp.6177-6183.
   DOI : 10.1021/acs.nanolett.7b02827〉
   Ref HAL : hal-01578005v1
8. Emmanuel Lhuillier, Philippe Guyot-Sionnest.
   Recent Progresses in Mid Infrared Nanocrystal based Optoelectronics
   IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2017, 23 (5), pp.6000208
   DOI : 10.1109/JSTQE.2017.2690838
   Ref HAL :  hal-01508748v1
9. Hongyue Wang, Emmanuel Lhuillier, Qian Yu, Alexandre Zimmers, Benoit Dubertret et al.
   Transport in a Single Self-Doped Nanocrystal
   ACS Nano, American Chemical Society, 2017, 11 (2), pp.1222-1229.
   DOI : 10.1021/acsnano.6b07898
   Ref HAL : hal-01438657v1
10. Audrey Chu, Clément Livache, Sandrine Ithurria, Emmanuel Lhuillier.
    Electronic structure robustness and design rules for 2D colloidal heterostructures
    Journal of Applied Physics, American Institute of Physics, 2018, 123 (3), pp.035701.
    DOI : 10.1063/1.5003289
    Ref HAL : hal-01707928v1

Participation à des congrès

• GDR NanoTeraMir, Paris, novembre 2016
• GDR Nacre, Aussois, décembre 2016
• Conférence NanoTN, Marrakech Février 2018
• MRS, Phoenix, Avril 2018
• Congrés SFO, Toulouse, juillet 2018
• GRC, Bryant University, USA, Juillet 2018
• Martinez Bertille, Clément Livache, Adrien Robin, Hervé Cruguel, Sébastien Royer et al. 
  Intraband transition in self-doped narrow band gap colloidal quantum dots
  SPIE phpotonic west, Jan 2017, san francisc2017-02o, France.
  DOI : 10.1117/12.2250155
  Ref HAL : hal-01476526v1
• Clément Livache, Bertille Martinez, Eva Izquierdo, Marion Dufour, Hervé Cruguel et al. 
  Shape and confinement control in mid and far infrared nanocrystals
  SPIE photonic west 2017, Jan 2017, San francisco, United States.
  DOI : 10.1117/12.2250160
  Ref HAL : hal-01476634v1
• Bertille Martinez, Clément Livache, Nicolas Goubet, Eva Izquierdo, Mathieu G. Silly et al. 
  Optoelectronics Using 2D Colloidal Nanocrystals from Wide Band Gap to Narrow Band Gap
  Materials E-MRS, May 2017, Strasbourg, France. 2017,
  DOI : 10.1002/pssc.201700138
  Ref HAL : hal-01581712v1
• Clément Livache, Bertille Martinez, Adrien Robin, Nicolas Goubet, Benoit Dubertret et al. 
  Investigation of the Self-Doping Process in HgSe Nanocrystals
  E-MRS, May 2017, strasbourg, France. 2017,
  DOI : 10.1002/pssa.201700294
  Ref HAL :  hal-01587739v1