Equipe
- Membres permanents : Emmanuel Lhuillier, Yoann Prado, James Utterback
- Doctorant.e.s : Charlie Gréboval, Audrey Chu, Adrien Khalili, Tung Dang Huu
- Thèses soutenues : Bertille Martinez (2019), Clément Livache (2019), Junling Qu (2021)
- Post-Doctorant.e.s : Stefano Piereni, Eva Izquierdo
Le groupe est impliqué dans la conception de dispositifs optoélectroniques infrarouges utilisant des nanocristaux à bande interdite étroite comme matériaux actifs. Ce sujet de recherche est hautement pluridisciplinaire avec :
- Synthèse de nanocristaux, y compris le développement d’une nouvelle méthode de croissance
- Fabrication de dispositifs en salle blanche et traitement sans air en boîte à gants
- Étude de la structure électronique du matériau
- Transport électronique avec des possibilités de résolution en fonction de la porte, de la température et du temps
- Conception du couplage lumière-matière pour obtenir une absorption et une mise en forme spectrale élevées
- Intégration de nanocristaux pour la fabrication d’un système d’imagerie infrarouge
- Émission de lumière infrarouge
Collaborations
- ESPCI – Sandrine Ithurria
- Synchrotron Soleil, lignes Tempo (Mathieu Silly) et Smis (Francesco Capitani)
- Onera – Greogory Vincent
- New Imaging Technologies
Financements
- ERC BlackQD
- Projet ANR-DGA NITQuantum
- ANR Copin et Frontal
Thèmes transverses
Synthèse de nanocristaux, y compris le développement d’une nouvelle méthode de croissance
Légende : Image de l’installation de synthèse de nanocristaux.
Par exemple, nous rapportons la première synthèse hautement concentrée de nanocristaux de HgTe en passant des sels de mercure conventionnels au mercure liquide comme précurseur. Nous avons ainsi obtenu la synthèse la plus concentrée de nanocristaux de HgTe jamais rapportée, avec une concentration proche de 100 g/L. Cette nouvelle voie de synthèse est prometteuse. Cette nouvelle voie de synthèse est prometteuse pour réaliser une synthèse plus écologique de HgTe avec une exposition réduite de la main d’œuvre au précurseur de Hg.
Légende : Schéma de la synthèse de nanocristaux de HgTe à base de Hg liquide.
Nous avons également été les premiers à rapporter des nanocristaux avec une absorption THz. Une nouvelle procédure de synthèse a permis la croissance de nanocristaux de taille supérieure au rayon de Borh, permettant ainsi une absorption jusqu’à 100 µm. Ce travail a démontré la possibilité de régler l’absorption du nanocristal de HgTe dans tout l’infrarouge de 1 à 100 µm.
Légende : Spectres infrarouges de nanocristaux de HgTe de différentes tailles.
Publications
- Nicolas Goubet, Maxime Thomas, Charlie Gréboval, Audrey Chu, Junling Qu, et al.. Near to Long-Wave Infrared Mercury Chalcogenide Nanocrystals from Liquid Mercury. Journal of Physical Chemistry C, American Chemical Society, 2020, ⟨10.1021/acs.jpcc.0c01255⟩. ⟨hal-02514168⟩
- Junling Qu, Nicolas Goubet, Clément Livache, Bertille Martinez, Dylan Amelot, et al.. Intraband Mid-Infrared Transitions in Ag 2 Se Nanocrystals: Potential and Limitations for Hgfree Low Cost Photodetection. Journal of Physical Chemistry C, American Chemical Society, 2018, ⟨10.1021/acs.jpcc.8b05699⟩. ⟨hal-01849301⟩
- Nicolas Goubet, Amardeep Jagtap, Clément Livache, Bertille Martinez, Hervé Portalès, et al.. Terahertz HgTe Nanocrystals: Beyond Confinement. Journal of the American Chemical Society, American Chemical Society, 2018, 140 (15), pp.5033-5036. ⟨10.1021/jacs.8b02039⟩. ⟨hal-01764916⟩
- Nicolas Goubet, Clément Livache, Bertille Martinez, Xiang Zhen Xu, Sandrine Ithurria, et al.. Wavefunction engineering in HgSe/HgTe colloidal heterostructures to enhance mid infrared photoconductive properties. Nano Letters, American Chemical Society, 2018, ⟨10.1021/acs.nanolett.8b01861⟩. ⟨hal-01807510⟩
Fabrication de dispositifs en salle blanche et traitement sans air en boîte à gants
Nous bénéficions de la salle blanche de l’INSP, ainsi que de l’accès au » Paris center clean room consortium » qui nous donne accès à la lithographie optique, laser et e-beam. Nous avons également la possibilité de déposer des métaux et des diélectriques, y compris des matériaux à haute teneur en carbone. Dans le groupe, nous disposons également d’une boîte à gants pour le traitement à l’abri de l’air des nanocristaux ; celle-ci comprend également un évaporateur connecté à la boîte à gants pour la fabrication de dispositifs à l’abri de l’air.
Légende : Image de l’installation pour le traitement sans air.
Étude de la structure électronique du matériau
L’intégration de dispositifs nécessite une connaissance approfondie de la structure électronique du matériau. Notre principal matériau de base est le nanocristal de HgTe, qui combine une structure de bande inversée avec un confinement quantique et une dépendance à la chimie de surface. Il est donc de la plus haute importance de dévoiler l’alignement des bandes de ce matériau dans l’échelle d’énergie absolue afin de pouvoir l’intégrer efficacement dans des dispositifs avec le bon alignement des bandes (faible barrière de Schottky).
Pour atteindre cet objectif, nous utilisons une combinaison de spectroscopie infrarouge et de photoémission (principalement réalisée sur la ligne de faisceau tempo du synchrotron Soleil). Nous utilisons également la photoémission résolue en temps qui est un outil précieux pour sonder la dynamique de relaxation des porteurs ainsi que la flexion des bandes de surface.
Légende : Photo de la ligne Tempo du Soleil.
Publications
- Clément Livache, Nicolas Goubet, Charlie Gréboval, Bertille Martinez, Julien Ramade, et al.. Effect of Pressure on Interband and Intraband Transition of Mercury Chalcogenides Quantum Dots. Journal of Physical Chemistry C, American Chemical Society, 2019, ⟨10.1021/acs.jpcc.9b01695⟩. ⟨hal-02120607⟩
- Dylan Amelot, Prachi Rastogi, Bertille Martinez, Charlie Gréboval, Clément Livache, et al.. Revealing the Band Structure of FAPI Quantum Dot Film and Its Interfaces with Electron and Hole Transport Layer Using Time Resolved Photoemission. Journal of Physical Chemistry C, American Chemical Society, 2020, 124 (6), pp.3873-3880. ⟨10.1021/acs.jpcc.9b10946⟩. ⟨hal-02514171⟩
- Amardeep Manikrao Jagtap, Bertille Martinez, Nicolas Goubet, Audrey Chu, Clément Livache, et al.. Design of Unipolar Barrier for Nanocrystal Based Short Wave Infrared Photodiode. ACS photonics, American Chemical Society,, 2018, ⟨10.1021/acsphotonics.8b01032⟩. ⟨hal-01908221⟩
- Clément Livache, Eva Izquierdo, Bertille Martinez, Marion Dufour, Debora Pierucci, et al.. Charge Dynamics and Optolectronic Properties in HgTe Colloidal Quantum Wells. Nano Letters, American Chemical Society, 2017, 17 (7), pp.4067-4074. ⟨10.1021/acs.nanolett.7b00683⟩. ⟨hal-01541341⟩
Transport électronique avec des possibilités de résolution en fonction de la porte, de la température et du temps
Les performances des dispositifs sont directement liées à leurs propriétés de transport. L’étude du transport est donc un sujet central dans le groupe. Nous avons développé des instruments permettant d’effectuer des mesures du niveau de Fermi (c’est-à-dire avec une grille) et de la température avec une résolution allant jusqu’au subfA. Nous sommes également équipés pour effectuer des mesures de photoconduction (de l’UV à l’IR moyen) avec des expériences à résolution spectrale et temporelle. Les instruments utilisés pour mesurer le transport ne sont pas limités aux nanocristaux de HgTe et nous explorons également d’autres matériaux tels que le TMDC, le germanane et d’autres nanomatériaux.
Publications
- Clément Livache, Bertille Martinez, Nicolas Goubet, Charlie Gréboval, Junling Qu, et al.. A colloidal quantum dot infrared photodetector and its use for intraband detection. Nature Communications, Nature Publishing Group, 2019, 10, pp.2125. ⟨10.1038/s41467-019-10170-8⟩. ⟨hal-02124021⟩
- Charlie Gréboval, Ulrich Noumbe, Nicolas Goubet, Clément Livache, Julien Ramade, et al.. Field effect transistor and photo transistor of narrow band gap nanocrystal arrays using ionic glasses. Nano Letters, American Chemical Society, 2019, 19 (6), pp.3981-3986. ⟨10.1021/acs.nanolett.9b01305⟩. ⟨hal-02122049⟩
- Charlie Gréboval, Audrey Chu, Debora Magalhaes, Julien Ramade, Junling Qu, et al.. Ferroelectric Gating of Narrow Band-Gap Nanocrystal Arrays with Enhanced Light Matter Coupling. ACS photonics, American Chemical Society,, 2021, 8 (1), pp.259-268. ⟨10.1021/acsphotonics.0c01464⟩. ⟨hal-03102784⟩
Conception du couplage lumière-matière pour obtenir une absorption et une mise en forme spectrale élevées
Un point central dans la conception d’un capteur infrarouge utilisant un nanocristal est le compromis entre l’absorption et le transport des porteurs. L’absorption est poussée vers un film épais (1 µm et plus) mais cela est incompatible avec la courte longueur de diffusion des porteurs résultant du transport par saut. En intégrant un résonateur plasmonique, tel qu’un résonateur à mode guidé, nous sommes en mesure de concentrer la lumière sur une fine dalle de semi-conducteur et d’obtenir une absorption proche de l’unité. Cette stratégie peut également être utilisée pour concevoir un spectre d’absorption à la demande ou pour offrir une accordabilité spectrale au-delà du confinement quantique du matériau.
Légende : À gauche, spectre d’un capteur à base de nanocristaux avec et sans résonateur à mode guidé pour améliorer son absorption. Schéma de droite du dispositif.
Publications
- Audrey Chu, Charlie Gréboval, Nicolas Goubet, Bertille Martinez, Clément Livache, et al.. Near Unity Absorption in Nanocrystal Based Short Wave Infrared Photodetectors using Guided Mode Resonators. ACS photonics, American Chemical Society,, 2019, ⟨10.1021/acsphotonics.9b01015⟩. ⟨hal-02281355⟩
- Prachi Rastogi, Audrey Chu, Charlie Gréboval, Junling Qu, Ulrich Nguétchuissi Noumbé, et al.. Pushing absorption of perovskite nanocrystals into the infrared. Nano Letters, American Chemical Society, 2020, 20 (5), pp.3999-4006. ⟨10.1021/acs.nanolett.0c01302⟩. ⟨hal-02542043⟩
- Prachi Rastogi, Audrey Chu, Tung Huu Dang, Yoann Prado, Charlie Gréboval, et al.. Complex Optical Index of HgTe Nanocrystal Infrared Thin Films and Its Use for Short Wave Infrared Photodiode Design. Advanced Optical Materials, Wiley, 2021, pp.2002066. ⟨10.1002/adom.202002066⟩. ⟨hal-03161581⟩
Intégration de nanocristaux pour la fabrication d’un système d’imagerie infrarouge
Les nanocristaux sont très prometteurs en tant qu’alternative à faible coût aux semi-conducteurs absorbant l’infrarouge obtenus par croissance épitaxiale. Ceci est particulièrement vrai dans l’infrarouge à ondes courtes, où le coût des capteurs actuels reste incompatible avec de nombreuses nouvelles applications infrarouges telles que la vision industrielle. En collaboration avec New Imaging Technologies, nous avons conçu une matrice à plan focal infrarouge à ondes courtes où les nanocristaux sont utilisés pour fonctionnaliser un circuit de lecture CMOS afin d’obtenir une photoconduction infrarouge à ondes courtes.
Légende : Image réalisée avec un capteur à base de nanocristaux de HgTe.
Publications
- Audrey Chu, Bertille Martinez, Simon Ferré, Vincent Noguier, Charlie Gréboval, et al.. HgTe Nanocrystals for SWIR Detection and their Integration up to Focal Plane Array. ACS Applied Materials & Interfaces, Washington, D.C. : American Chemical Society, 2019, ⟨10.1021/acsami.9b09954⟩. ⟨hal-02272333⟩
- Bertille Martinez, Julien Ramade, Clément Livache, Nicolas Goubet, Audrey Chu, et al.. HgTe Nanocrystal Inks for Extended Short‐Wave Infrared Detection. Advanced Optical Materials, Wiley, 2019, pp.1900348. ⟨10.1002/adom.201900348⟩. ⟨hal-02134751⟩
Émission de lumière infrarouge
Le groupe travaille également sur l’émission de lumière dans les LED géométriques en utilisant des nanocristaux comme émetteurs de lumière. Notre intérêt va au-delà de la simple performance des LED et nous intégrons les LED pour l’imagerie active. Dans l’infrarouge, les contrats de réflexion peuvent être très différents de ceux du visible et cela peut être utilisé pour la détection de l’humidité par exemple, voir la figure ci-dessous.
Légende : Schéma de gauche d’une LED infrarouge basée sur des nanocristaux de HgTe. Schéma de droite d’un biscuit présentant une tache d’humidité qui apparaît clairement sous un éclairage IR alors que cette tache ne présente aucun contraste dans le visible.
Publications
- Junling Qu, Prachi Rastogi, Charlie Gréboval, Delphine Lagarde, Audrey Chu, et al.. Electroluminescence from HgTe Nanocrystals and its Use for Active Imaging. Nano Letters, American Chemical Society, 2020, ⟨10.1021/acs.nanolett.0c02557⟩. ⟨hal-02899117⟩
- Junling Qu, Prachi Rastogi, Charlie Gréboval, Clément Livache, Marion Dufour, et al.. A nanoplatelet-based light emitting diode and its use for all-nanocrystal LiFi-like communication. ACS Applied Materials & Interfaces, Washington, D.C. : American Chemical Society, 2020, ⟨10.1021/acsami.0c05264⟩. ⟨hal-02543986⟩
- Yoann Prado, Junling Qu, Charlie Gréboval, Corentin Dabard, Prachi Rastogi, et al.. Seeded growth of HgTe nanocrystals for shape control and their use in narrow infrared electroluminescence. Chemistry of Materials, American Chemical Society, 2021, ⟨10.1021/acs.chemmater.0c04526⟩. ⟨hal-03168405⟩
