Acoustique et optique pour les nanosciences et le quantique – Nanophotonique quantique

Emission de nanocristaux semi-conducteurs à l’échelle individuelle

Les nanocristaux coeur/coquille de semi-conducteurs sont aussi appelés boîtes quantiques colloïdales. De très petites dimensions, ils ont une taille caractéristique de quelques nanomètres, et confinent ainsi les porteurs (électrons et trous ) dans un très petit volume. Les niveaux d’énergie sont alors discrétisés comme pour un atome. On appelle donc ces boîtes quantiques aussi atomes artificiels.

Le prix Nobel de chimie 2023 a été attribué à Moungi Bawendi, Louis Brus et Alexei Ekimov, pour la découverte et la synthèse de ces boîtes quantiques.

La longueur d’onde d’émission dépend de leur taille. Pour des nanocristaux de CdSe/CdS, l’émission se situe dans le visible, pour nous essentiellement autour de 600nm dans le rouge. A l’échelle individuelle ces nanocristaux émettent des photons uns par un, appelés photons uniques.

a) Schéma représentant une boîte quantique colloidale. Cœur: CdSe; coquille: CdS; à l’extérieur: ligands qui empêchent l’agrégation des nano-émetteurs. b) Fluorescence de boîtes quantiques c) Image de boîtes quantiques en microscopie électronique. (Synthèse T. Pons, C. Roux-Byl, LPEM).

Nous travaillons en collaboration avec Thomas Pons qui les synthétise au sein de son groupe (LPEM, ESPCI) .

Caractérisation

Pour un nanocristal individuel, nous mesurons en microscopie de fluorescence son spectre, son intensité, son diagramme de rayonnement. Nous effectuons des mesures de temps de vie, et d’anti-coincidence pour vérifier qu’il émet bien des photons uniques.   Nous avons développé des méthodes permettant de connaître l’orientation d’un nano-émetteur individuel en fonction de sa polarisation d’émission et de son diagramme de rayonnement.

a) nanocube: coeur: couche centrale de CdSe, entourée de deux couches épaisses de CdS. b) Image de microscopie électronique (@LPEM). Statistique de la polarisation de l’émission pour 10 nanocubes. Les nanocubes de CdSe/CdS peuvent se déposer soit sur la tranche soit à plat. A partir de leur polarisation d’émission, on peut détecter leur orientation

• Dans le cadre d’un programme d’innovation, nous développons également un instrument permettant de caractériser un grand nombre d’émetteurs simultanément (collaboration avec Hugo Defienne)

Emission sous forte excitation

Sous forte excitation, le spectre d’un nanocristal unique de CdSe/CdS s’élargit.

En régime de faible excitation laser (moins de 1 mW), l’émission de la boîte quantique se fait entre les deux niveaux fondamentaux de l’électron et du trou. Le nanocristal est alors assimilable à un système à deux niveaux qui émet des photons uniques centrés sur une raie typiquement de 20-30nm de largeur spectrale. Sous forte excitation, le comportement de l’émetteur change complètement et le spectre d’émission peut atteindre 200nm de large. Le système à deux niveaux n’est plus un modèle satisfaisant.

Nous avons développé un nouveau modèle de l’émission de ces nano-émetteurs, basé sur une description statistique de l’occupation des niveaux . Nous avons ainsi pu définir une température et un potentiel chimiques des porteurs, qui croissent avec la puissance d’excitation.

Analyse Bayésienne

Le traitement de nos données expérimentales nécessite de réaliser des ajustements avec un grand nombre de paramètres dont un certain nombre sont corrélés. Les méthodes usuelles d’ajustement en minimisant l’écart à une fonction ne sont alors plus adaptées. Nous avons développé une approche originale d’analyse bayésienne qui nous a permis de déterminer les paramètres propres à nos expériences et de valider nos modèles théoriques.

Capteur biologique

Par lithographie électronique , nous fabriquons des disques diélectriques que nous imprégnions de nanocristaux semi-conducteurs. Des modes de galerie sont excités par la fluorescence des nanocristaux à la périphérie du disque, permettant la création d’un champ électrique évanescent à proximité immédiate du disque. Des antigenes permettent de greffer des molécules biologiques d’intérêt à la fois sur le disque et à des fluorophores. Ceux-ci se retrouvent ainsi dans le champ de l’onde évanescente et fluorescent permettant ainsi la détection de la molécule biologique.

a) Principe du bio-capteur.Points rouges : nanocristaux, Losanges violets: molécules d’intérêt biologique, étoiles rouges: fluorophores. b) mode de galerie dans le microdisque (simulation FDTD). c) image de microscopie électronique du microdisque.

Antennes plasmoniques

Une antenne est un dispositif qui améliore le couplage entre un oscillateur électrique local et une onde électromagnétique propagative. Les antennes sont largement utilisées pour l’émission et la réception des ondes radio, mais leurs homologues visibles n’ont été considérées que récemment car leurs dimensions doivent être contrôlées avec une précision inférieure à l’échelle des longueurs d’onde. L’oscillateur est pour nous un nano-émetteur, un nanocristal qui interagit avec un champ électrique résonant dans l’antenne. 

L’antenne patch est constituée par un substrat d’or, recouvert par une fine couche de diélectrique (10-50nm), le tout étant recouvert d’un petit disque d’or, le patch, optiquement fin, de 500nm à 2 µm de diamètre. Dans cette antenne, on positionne de manière déterministe un nanocristal unique au centre de l’antenne. Le positionnement de l’émetteur de lumière au sein à l’antenne est un aspect particulièrement délicat. Nous avons développé plusieurs protocoles de lithographie  dont deux brevetés pour le positionnement déterministe d’un seul nanocristal au centre d’une antenne patch.

a) schéma d’une antenne patch; pour un même émetteur, avant et après la dépose du patch, b) courbe de déclin: la fluorescence est accélérée d’un facteur >200 pour l’émetteur dans l’antenne, c) intensité de fluorescence. Elle est augmentée d’un facteur 70 pour l’émetteur dans l’antenne.

Pour cet émetteur une fois dans l’antenne, nous  avons montré une forte accélération du temps de vie, une forte amélioration de la luminescence et une augmentation de 3 ordre de grandeurs de la section efficace d’absorption.