Photonique et cohérence de spin – Propriétés excitoniques de nanocristaux colloïdaux


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Equipe

  • Membres permanents : Thierry Barisien, Frédérick Bernardot, Maria Chamarro, Alex Chin, Laurent Legrand, Christophe Testelin

Les nanocristaux colloïdaux semi-conducteurs (NCs) font actuellement l’objet d’un engouement considérable car ils combinent plusieurs avantages : un coût de production relativement faible, une grande diversité dans leurs structures, des capacités d’incorporation dans des matériaux organiques et des propriétés optoélectroniques exceptionnelles. Ils sont des candidats prometteurs en tant que briques élémentaires dans diverses applications : l’affichage, les lasers solides à bas seuil (ou plus généralement les applications nécessitant un fort gain optique) ou encore les sources de photons uniques. L’optimisation des propriétés d’émission et de gain ainsi que le développement de nouvelles familles (parmi lesquelles les NCs dits de « pérovskites inorganiques » à base de métal et d’halogénures) nécessitent une compréhension approfondie des processus fondamentaux qui régissent la formation et la relaxation des excitations élémentaires, les excitons ainsi que la connexion de ces processus aux propriétés structurales.

Dans ce contexte, les recherches menées se concentrent sur les sujets suivants :

  • La structure fine des excitons de « bord de bande » : sa caractérisation (structure des niveaux, écarts en énergie, polarisation des états, couplage au rayonnement) et comment elle est influencée par la symétrie cristalline, l’anisotropie de forme des NCs, le niveau de confinement et les effets de confinement diélectrique ;
  • Le couplage des excitons aux phonons et son impact sur la cohérence temporelle ;
  • La dynamique de relaxation du spin des excitons : cette facette inclut la mesure des constantes phénoménologiques « clé » (temps de vie et temps de cohérence de spin) ainsi que l’identification des mécanismes qui régissent la relaxation (spin-flip et décohérence par exemple) : voir aussi le Thème n°2 de la page principale.

 

Techniques expérimentales

Absorption optique, photoluminescence résolue temporellement, micro-photoluminescence, spectroscopie magnéto-optique (absorption et photoluminescence) et absorption « transitoire » (dans le cadre de collaborations) – Les équipements disponibles permettent des mesures depuis les basses températures (~ 5 K) jusqu’à la température ambiante.

 

Faits d’actualité

Contrôler l’anisotropie de forme de nanocristaux colloïdaux pour en modifier les effets du confinement des porteurs

Excitons indirects dans des nanoplaquettes colloïdales de type cœur-couronne

Des nanocristaux de nouvelle génération dévoilent leurs propriétés d’émission

Principales collaborations

  • Groupe Optoélectronique de Nanomatériaux Confinés (OCN), équipe Physuf, INSP ;
  • Groupe d’Optique Quantique, Laboratoire Kastler Brossel, Sorbonne Université, École Normale Supérieure ;
  • Laboratoire de Physique de l’École Normale Supérieure, ENS, Université PSL, Sorbonne Université, Université de Paris ;
  • Laboratoire de Physique des Matériaux, Faculté des Sciences de Bizerte, Université de Carthage ;
  • Groupe d’Optoélectronique, Laboratoire Cavendish, Université de Cambridge ;
  • Groupe de Chimie Quantique, Université Jaume I (Espagne) ;
  • Laboratoire de Physique et d’Étude des Matériaux, ESPCI, Université PSL ;
  • Laboratoire des champs magnétiques intenses (HFML), Université de Radboud, Nimègue, Pays-Bas.

 

Projet financé

  • ANR IPERNANO2 (2018-) “Inorganic PERovskite NANOcrystals for NANOphotonics” (coordination : Maria Chamarro)

 

Publications récentes

  • R. Ben Aich, S. Ben Radhia, K. Boujdaria, M. Chamarro and C. Testelin. Multiband k·p Model for Tetragonal Crystals: Application to Hybrid Halide Perovskite Nanocrystals. J. Phys. Chem. Lett., 2020, 11, 808. https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02454958
  • V. Steinmetz, J. Climente, R. Pandya, J. Planelles, F. Margaillan, Y. Puttisong, M. Dufour, S. Ithurria, A. Sharma, G. Lakhwani, L. Legrand, F. Bernardot, C. Testelin, M. Chamarro, A. Chin, A. Rao, T. Barisien. Emission State Structure and Linewidth Broadening Mechanisms in Type-II CdSe/CdTe Core–Crown Nanoplatelets: A Combined Theoretical–Single Nanocrystal Optical Study. J. Phys. Chem. C, 2020, 124, 17352. https://hal.archives-ouvertes.fr/LPEM/hal-02938722v1
  • R. Pandya, V. Steinmetz, Y. Puttisong, M. Dufour, W. M. Chen, R. Y. S. Chen, T. Barisien, A. Sharma, G. Lakhwani, A. Mitioglu, P. Christianen, L. Legrand, F. Bernardot, C. Testelin, A. W. Chin, S. Ithurria, M. Chamarro, A. Rao. Fine Structure and Spin Dynamics of Linearly Polarized Indirect Excitons in Two-Dimensional CdSe/CdTe Colloidal Heterostructures. ACS Nano, 2019, 13, 10140. https://hal.sorbonne-universite.fr/hal-02323508
  • R. Ben Aich, I. Saidi, S. Ben Radhia, K. Boujdaria, T. Barisien, L. Legrand, F. Bernardot, M. Chamarro, C. Testelin. Bright-exciton splittings in inorganic cesium lead halide perovskite nanocrystals. Phys. Rev. Appl., 2019, 11, 034042. https://hal.sorbonne-universite.fr/hal-02323508
  • J. Ramade, L. M. Andriambariarijaona, V. Steinmetz, N. Goubet, L. Legrand, T. Barisien, F. Bernardot, C. Testelin, E. Lhuillier, A. Bramati, M. Chamarro. Fine structure of excitons and electron–hole exchange energy in polymorphic CsPbBr3 single nanocrystals. Nanoscale, 2018, 10, 6393. https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01772283