Thèse Spectroscopie Stark Ultrarapide dans les Nanostructures Semiconductrices H/F

Doctorat_Gouv

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique
École doctorale : Ondes et Matière
Laboratoire de recherche : Laboratoire Lumière, Matière et Interfaces
Direction de la thèse : Elsa CASSETTE ORCID 0000000214716558
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59

Ce projet vise à étudier la dynamique de recombinaison et de dissociation des excitons dans des assemblages originaux de semiconducteurs bidimensionnels de chalcogénures métalliques et hétérostructures, soumis à des champs électriques externes. L'objectif est de contrôler l'énergie et le couplage entre états excitoniques dans les puits quantiques colloïdaux (nanoplaquettes), avec l'effet Stark et en modifiant l'énergie de liaison des excitons en jouant sur le recouvrement spatial et l'extension des fonctions d'onde de l'électron et du trou (caractère à transfert de charge).
Les dynamiques de recombinaison et de dissociation des excitons seront sondés par photoluminescence résolue en temps à l'aide d'une caméra à balayage de fente picoseconde, tandis que le transfert de charge sera étudié par spectroscopie d'absorption transitoire femtoseconde. Une forte interaction entre ces mesures et le développement des échantillons par nos collaborateurs de l'ILM Lyon sera essentielle afin d'obtenir des interfaces de haute qualité et une très bonne maîtrise de la composition permettant d'obtenir un alignement de type II, nécessaire au transfert de charge et à la dissociation des excitons.

Les matériaux semi-conducteurs bidimensionnels (2D) suscitent un très grand intérêt pour le développement de dispositifs optoélectroniques (photo-détecteurs, LEDs, lasers, cellules solaires...) pour leurs propriétés optiques remarquables (section efficace d'absorption) et de transport dans le plan 2D. Ces dix dernières années, l'étude de la photo-physique dans ces puits quantiques a été fortement stimulée par l'émergence de nanostructures ultrafines, d'épaisseur contrôlée à la monocouche atomique près. Celles-ci manifestent une interaction lumière matière particulièrement importante, grâce à au fort caractère excitonique des espèces excitées, y compris à température ambiante, impliquant des énergies de liaison de plusieurs centaines de milliélectron-volts. Parmi les matériaux 2D, les NPLs colloïdales de semi-conducteurs II-VI (chalcogénures de métaux) et de pérovskites halogénées suscitent un engouement très fort dans la communauté et se révèlent être particulièrement prometteuses pour obtenir des excitons stables dont les propriétés pourraient être finement contrôlées et modulables. Elles présentent, en plus de leur grande section efficace d'absorption, de très bons rendement de photoluminescence, caractéristique d'une passivation de surface bien maîtrisée [2,3]. L'émission de photoluminescence est spectralement fine (absence d'élargissement inhomogène) et le gap de ces NPLs semi-conductrices reste direct pour plusieurs monocouches. Les NPLs colloïdales se sont déjà révélées particulièrement prometteuses pour la réalisation de dispositifs à émission de lumière tels que les LEDs [4] et lasers [5]. Obtenir des excitons indirects dans des hétéro-structures à partir de NPLs synthétisées par voie colloïdale serait particulièrement intéressant. Ceci ouvrirait la voie au développement de dispositifs pour le photovoltaïque et photo-détecteurs, basés sur la dissociation d'excitons après absorption.

Etudier la photophysique dans les assemblages et hétérostructures de nanoplaquettes colloïdales. Caractériser les dynamiques de transfert de charge et d'énergie et de recombinaison par spectroscopies optiques ultrarapides. Mettre en évidence les effets de délocalisation sur ces dynamiques.

Afin d'étudier les excitons indirects, nous combinerons des techniques de spectroscopie optique résolue en temps avec la spectroscopie Stark faisant intervenir un champ électrique externe. Les états excités dans les nanostructures semi-conductrices sont fortement affectés par les champs électriques internes ou externes. A champ relativement faible, le champ électrique induit une diminution de l'énergie entre le premier état excité de l'électron et du trou proportionnelle au carré de son amplitude (effet Stark quadratique). La séparation spatiale des fonctions d'onde de l'électron et du trou pour un exciton à caractère indirect (c.-à-d. à transfert de charge) créée un moment dipolaire électrique permanent conduisant à des signaux Stark bien plus prononcés que pour des excitons localisés au sein d'une même couche 2D. Le décalage spectral d'une transition excitonique dû au changement de moment dipolaire induit par le champ est linéaire avec l'amplitude du champ et fortement dépendant de l'orientation relative de ce champ par rapport à ce dipôle. En plus des décalages spectraux liés aux effets Stark, un champ électrique peut également modifier certains processus dynamiques [6]. En particulier, des effets sur les taux de transfert de charge [7] et de dissociation d'excitons [8] ont été mis en évidence dans les matériaux moléculaires présentant des états excités intermédiaires à caractère à transfert de charge. A notre connaissance, de tels effets n'ont encore jamais été observés dans les nanostructures 2D de semi-conducteurs. Ces effets Stark non classiques peuvent être directement observés par des techniques de spectroscopie optique résolue en temps ultrarapides, les transferts de charge ayant lieu sur des échelles de plusieurs centaines de femtosecondes et la dissociation typiquement sur plusieurs picosecondes. Nous utiliserons l'absorption transitoire femtoseconde (technique pompe-sonde) développée au LuMIn et la photoluminescence picoseconde mesurée avec une caméra à balayage de fente (« streak »). Les dynamiques des états à transfert de charge (formation caractérisée par le taux de transfert et durée de vie liée à la dissociation) seront ciblés. L'analyse à la fois temporelle et spectrale par outil d'analyse globale se révélera essentielle pour de telles études.