Localisation de l'excitation dans des nano-cristaux semi-conducteurs: dopage au Mn²+ et hétéro structures latérales

• Main Author: Lamarre, Sébastien
• Other Authors: Ritcey, Anna Marie
• Format: Doctoral Thesis
• Language: French
• Published: Université Laval 2018
• Subjects: QD 3.5 UL 2018; Manganèse; Ions; Nanocristaux semi-conducteurs; Photoluminescence; Spectroscopie
• Online Access: http://hdl.handle.net/20.500.11794/30252

Cette thèse explore la localisation de l’excitation dans des hétéro structures semiconductrices nanoscopiques par deux approches différentes, soit la localisation sur un ion Mn2+ et la localisation dans un anneau de CdSe. Ces structures sont préparées par voie colloïdale et caractérisées principalement par spectroscopie d’émission et d’excitation de la photoluminescence à différentes températures. Les propriétés optiques du Mn2+ ont pu être modulées par les contraintes interfaciales en modifiant la composition du coeur de nanocristaux coeur/coquille de MnxZn1−xE/ZnE (où E est du soufre ou du sélénium) pour des x entre 0,1 et 1. Pour les nanocristaux à base de séléniures, le temps de vie radiatif du Mn2+ se raccourcit avec l’effet des contraintes de 900 à 110 μs. Deux formes de couplage vibronique ont aussi été observées avec une perte de couplage des phonons optiques pour des températures inférieures à 100 K. Dans le cas des nanocristaux de MnxZn1−xS/ZnS, les paramètres du champ cristallin ont été déterminés grâce aux cinq bandes d’excitation du Mn2+. L’analyse du champ cristallin en fonction de la composition du coeur permet de mieux comprendre l’effet des contraintes et de la composition. La composition du coeur influence à la fois la force du champ cristallin et les paramètres de Racah, passant de ceux du ZnS à ceux du MnS. En faisant croître un anneau de CdSe autour de puits quantiques colloïdaux de CdS, l’excitation se localise sur l’anneau. Le maximum de l’émission peut alors être ajusté de 428 à 512nm en augmentant la largeur de l’anneau pour des puits de 3 et 4 monocouches (ML). Le déplacement de l’émission provient d’un changement de la dimensionnalité du confinement de l’exciton. Des mesures d’absorption transitoire permettent de déterminer que le temps de diffusion de l’exciton du CdS vers le CdSe est de 20 ps. Après optimisation par plan factoriel, la synthèse des anneaux quantiques de 3 ML est robuste avec un rendement quantique moyen de 8,7% pour huit expérimentateurs différents. === This thesis explores localized excitation in nanoscopic semiconductor hetero structures by two different approaches: localisation on an Mn2+ ion and localisation inside a CdSe ring. These structures are prepared using colloidal synthesis and primarily characterised by photoluminescence emission and excitation spectroscopy at different temperatures. The Mn2+ optical properties can be modulated using interfacial strain by changing the core composition of MnxZn1−xE/ZnE (where E is S or Se) core/shell nanocrystals for x between 0.1 and 1. For selenide based nanocrystals, the Mn2+ radiative lifetime shortens from 900 to 110 μs. Also, two kinds of vibronic couplings are observed with the loss of optical phonon coupling at temperatures below 100 K. For MnxZn1−xS/ZnS nanocrystals, the crystal field parameters could be determined using five Mn2+ excitation bands. The composition dependent crystal field analysis allows for a better understanding of strain and composition effects. The core composition affects both the crystal field strength and the Racah parameters from those of ZnS to those of MnS. Only the crystal field strength is dependent on the temperature and its dependence is stronger as the crystal is more strained. By growing a CdSe ring around CdS colloidal quantum wells, the excitation is located inside the ring. The emission maximum can thus be tuned from 428 to 512nm by growing a wider ring around 3 and 4 monolayers (ML) quantum wells. The emission shift comes from a change in exciton confinement dimensionality. Transient absorption measurements indicate that the exciton diffusion time from CdSe to CdSe is 20 ps. After optimisation by factorial design, the 3ML quantum ring synthesis is demonstrated to be robust with a mean quantum yield of 8.7% for 8 different experimenters.