Optoelectronic properties of narrow band gap nanocrystals: application to infrared detection
ÉTUDE DES PROPRIÉTÉS OPTOÉLECTRONIQUES DE NANOCRISTAUX COLLOÏDAUX À FAIBLE BANDE INTERDITE : APPLICATION À LA DÉTECTION INFRAROUGE
Résumé
Colloidal semiconductor nanocrystals are nanomaterials synthesized in solution. Below a certain size, these nanocrystals acquire quantum confinement properties: their optoelectronic properties depend on the nanoparticle size. In the visible range, colloidal nanocrystals are quite mature. The next objective in this field is to get infrared colloidal nanocrystals. Mercury selenide (HgSe) and mercury telluride (HgTe) are potential candidates. The goal of this PhD work is to strengthen our knowledge on optical, optoelectronic and transport properties of these nanocrystals, in order to design an infrared detector.
To do so, we studied the electronic structure of HgSe and HgTe for different sizes and surface chemistries. We can then determine the energies of the electronic levels and the Fermi energy, quantify doping level … We show that the nanocrystal size has an influence on doping level, which gets more and more n-type as the nanocrystal size gets larger. We even observe a semiconductor-metal transition in HgSe nanocrystals as the size is increased. The doping control with surface chemistry is then investigated. By using dipolar effects or oxidizing ligands, we show a doping control over several orders of magnitude.
Thanks to these studies, we are able to propose a HgTe based device for detection at 2,5 µm, which structure allows to convert effectively the absorbed photons into an electrical current and to get a high signal over noise ratio. We get a photoresponse of 20 mA/W and a detectivity of 3 × 109 Jones.
Key words: Photodetection, infrared, nanocrystals, HgSe, HgTe, doping, optoelectronics
Les nanocristaux colloïdaux de semiconducteurs sont des nanomatériaux synthétisés en solution. En deçà d’une certaine taille, ils acquièrent des propriétés de confinement quantique : leurs propriétés optiques et électroniques deviennent dépendantes de leur taille. Le développement de tels nanocristaux a atteint une grande maturité dans le visible ; l’enjeu est maintenant d’étendre la gamme accessible et d’obtenir des nanocristaux ayant des propriétés dans l’infrarouge. Parmi les candidats potentiels, on trouve les nanocristaux de tellure de mercure (HgTe) et de séléniure de mercure (HgSe). L’objectif de ce doctorat est d’approfondir la connaissance des propriétés optiques, optoélectroniques et de transport de ces nanocristaux dans l’optique de concevoir un système de détection infrarouge.
Pour y parvenir, la structure électronique de ces matériaux a été déterminée expérimentalement pour différentes tailles et différentes chimies de surface. Nous pouvons en déduire les énergies des différents niveaux électroniques, l’énergie de Fermi, le type de dopage (et le quantifier). Nous montrons que la taille des cristaux a une forte influence sur le dopage, qui devient de plus en plus n quand les cristaux sont de plus en larges, allant jusqu’à observer une transition semiconducteur-métal pour des cristaux de HgSe. Le contrôle du dopage est ensuite étudié en fonction de la chimie de surface. En utilisant des effets dipolaires ou des transferts d’électrons via des ligands fortement oxydants, nous montrons un contrôle du dopage sur plusieurs ordres de grandeur en modifiant l’environnement à la surface des nanocristaux.
Ces études nous permettent de proposer un détecteur infrarouge à base de nanocristaux de HgTe, fonctionnant à 2,5 µm, dont la structure permet de convertir efficacement les photons absorbés en courant électrique, tout en obtenant un bon rapport signal sur bruit. Nous obtenons ainsi une réponse de l’ordre de 20 mA/W et une détectivité de 3 × 109 Jones.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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