Light-matter coupling in nanocrystal-based infrared photodetectors

Couplage lumière-matière au sein de détecteurs infrarouges à base de nanocristaux colloïdaux

Audrey Chu (1, 2)

1 INSP - Institut des Nanosciences de Paris
2 DOTA, ONERA, Université Paris Saclay [Palaiseau]

Colloidal nanocrystals are nanoparticles grown in solution. When their dimension is reduced below the Bohr radius, quantum confinement appears: optical properties depend on the size of the crystal. These nanocrystals are currently used for their visible emission properties but can also be applied for infrared photodetection. Mercury and lead chalcogenide (and in particular HgTe and PbS) absorb in the infrared. The hopping transport associated with nanocrystal array induced the use of thin film. The absorption of such film remains low and so does their performance. My work consists in induce light-matter coupling within a nanocrystal array in order to boost the absorption and the responsivity. Using nanostructured electrodes, it is possible to induce guided mode resonances within nanocrystal thin films. The responsivity of such devices presents an increase of a factor 102 – 103 compared to a film on conventional electrodes due to an enlargement of the absorption and the photoconductive gain both. This method is versatile and can be used for different materials, at different wavelengths and for different device geometries. In a last part, I will show a device that improve transport properties in a nanocrystal film. This device has a detectivity of 1012 Jones at 2.5 µm, 1 V and 200 K, which is comparable with commercial detectors.

Les nanocristaux colloïdaux sont des nanoparticules dont la croissance se fait en solution. Lorsque la taille de ceux-ci est suffisamment faible, des effets de confinement quantique apparaissent et leurs propriétés optiques deviennent ajustables avec leur taille. Ces nanocristaux sont en particulier utilisés pour leur luminescence dans le visible mais peuvent aussi être utilisés pour réaliser de la photodétection dans la gamme infrarouge. Les nanocristaux de HgTe et PbS présentent des propriétés d’absorption dans l’infrarouge. Le mécanisme de transport au sein d’un film de nanocristaux induit leur utilisation sous forme de couches minces, réduisant l’absorption et conduisant à des performances modestes. L’objectif de mon doctorat est d’augmenter le couplage lumière-matière au sein de film de nanocristaux afin d’augmenter l’absorption et donc la réponse. En particulier je démontrerai la possibilité de nanostructurer les électrodes afin d’induire des résonances de modes guidés pour des films de nanocristaux. L’utilisation de ces nanoélectrodes induit une augmentation de la réponse de deux à trois ordres de grandeur grâce à une augmentation de l’absorption et du gain photoconducteur. L’utilisation de telles résonances est une méthode versatile puisqu’elle peut être appliquée à différents matériaux, à différentes longueurs d’onde et pour différentes géométries. Enfin dans une dernière partie je présenterai un dispositif permettant d’exalter les propriétés de transport au sein d’un film de nanocristaux. Ce dispositif atteint une détectivité de 1012 Jones à 2.5 µm, 1 V et à 200 K, ce qui est comparable avec des détecteurs conventionnels.

Mots clés: Nanocrystals; Infrared; Photodetection; Light-matter coupling; Electromagnetic simulation

Mots clés: Nanocristaux; Infrarouge; Photodétection; Couplage lumière-matière; Simulation électromagnétique; Résonance de modes guidés

Domaines: Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]; Instrumentations et Détecteurs [physics.ins-det]

Audrey Chu. Couplage lumière-matière au sein de détecteurs infrarouges à base de nanocristaux colloïdaux. Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]. Sorbonne Université, 2021. Français. ⟨NNT : 2021SORUS082⟩. ⟨tel-03471036v2⟩