Résumé de thèse Années 2006-2009 Couplage de nanocristaux colloïdaux à des structures photoniques - Contrôle de l’émission spontanée Céline Vion, le 28 Avril 2009 Le couplage d’émetteurs fluorescents à un environnement contrôlé peut être utilisé pour améliorer leurs performances aussi bien en tant que sources classiques (directivité, affinement spectral, luminance,...) qu’en tant qu’émetteur individuel de photons uniques. A ces fins, les nanocristaux semi-conducteurs colloïdaux II/VI sont des très bon candidats : ils sont très stables et présentent une bonne efficacité quantique y compris à température ambiante [1]. L’un des principaux avantages des nanocristaux colloïdaux est leur grande souplesse d’utilisation : se présentant sous forme de colloïdes en solution, ils sont facilement manipulables. Ils peuvent être couplés de façon réversible à différents types d’environnement par un simple dépôt de solution diluée. Durant cette thèse, un dispositif d’étude de la luminescence de nanocristaux à l’échelle individuelle émettant dans le visible ou le proche infra-rouge a été développé à l’aide d’un microscope confocal. Nous avons, dans un premier temps, étudié le couplage des nanocristaux à l’échelle individuelle au plasmon de surface de l’or expérimentalement et théoriquement. Des nanocristaux de CdSe (coquille de ZnS) ont été déposés à une distance contrôlée entre 20 et 300 nm d’une surface d’or. D’importantes modifications du temps de recombinaison spontanée en fonction de la distance à l’interface ont été mesurées en très bon accord avec nos prévisions théoriques. Des améliorations de l’intensité d’émission et de la collection de photons uniques ont été mesurées. Nous avons, dans un deuxième temps, étudié l’influence d’un cristal photonique sur la propagation de lumière et l’émission d’un émetteur couplé. Dans les cristaux photoniques, la modulation spatiale de la constante diélectrique à l’échelle de la longueur d’onde définit une bande interdite photonique : la propagation de la lumière dans le cristal à certaines longueurs d’ondes y est interdite. Nous avons étudié le couplage de nanocristaux à l’échelle collective à des opales de silice : des cristaux photoniques à trois dimensions composés d’un empilement cubique face-centrées de billes de silice de diamètre de l’ordre de quelques centaines de nanomètres. Ces opales présentent une bande interdite photonique pour seulement certaines directions de propagation de la lumière. Une caractérisation optique d’opales synthétisées par auto-organisation naturelle de billes de silice par sédimentation 1 a permis de montrer la très bonne qualité optique de ces opales à l’échelle macroscopique. Des nanocristaux colloïdaux de CdTeSe 2 émettant dans cette gamme interdite ont été introduits au sein du cristal photonique. Nous avons mesuré une forte modification du diagramme d’émission ainsi qu’une inhibition de 9% du temps de recombinaison spontanée des nanocristaux infiltrés en très bon accord avec les calculs théoriques de modification de la densité locale d’états photoniques développés durant cette thèse. 1 Les opales réalisée par sédimentation sont synthétisée par les équipes d’Alexender Gruzintev de l’Institut of Microelectronics Technology and High Purity Materials et de Gennadii Emel’chenko de l’Insitute of Solid State Physics, instituts basés à Chergonolvka (district de Moscou) 2 Synthétisés dans le groupe de Benoit Dubertret à l’ESPCI 1 Résumé de thèse Années 2006-2009 La réalisation d’un défaut contrôlé dans un cristal photonique permet de créer une cavité optique confinant la lumière émise par un émetteur à des échelles de l’ordre de la longueur d’onde. En contrôlant le motif spatial décrivant la cavité, le cristal photonique permet d’obtenir non seulement des cavités optiques de très grand facteur de qualité mais aussi de très faible volume. Les cristaux photoniques à deux dimensions réalisés par gravure électronique de trous, suivant une structure périodiques, dans une couche mince guidante permettent de réaliser des cavités à cristal photonique de très bonne qualité. Nous présentons la fabrication et la caractérisation de cavités à cristaux photonique de type L3 (3 trous manquants) dans un guide d’onde en nitrure de silicum sur substrat de verre 3 . D’après des simulations de FDTD à trois dimensions (Finite Difference Time Domain) [2] un facteur de qualité de 300 entre 750 et 800 nm est attendu pour des membranes sur substrat de verre. Nous présentons des premiers résultats de caractérisation optique sur des membranes non suspendues. Les résultats sont obtenus en utilisant une technique originale basée sur un microscope optique couplé à un spectromètre imageur. L’éclairement de l’échantillon est réalisé en injectant une lumière blanche dans le guide d’onde en nitrure. Les mesures ainsi obtenues sont en très bon accord avec les prédictions théoriques. Les nanocristaux composés de CdTe et de CdSe 2 émettant entre 700 et 800 nm sont de très bon candidats en vue du couplage à ces cristaux photoniques de nitrure. Des premières caractérisations optiques à l’échelle individuelle de ces nanocristaux ont montré une intensité d’émission importante ainsi que l’émission de photons uniques. Mots clés : nanocristaux, semiconducteurs II/VI, photons uniques, plasmon, cristaux photoniques, effet Purcell, cavités. Références [1] Brokmann, X. ; Coolen, L. ; Dahan, M. and Hermier, J. P., Measurement of the Radiative and Nonradiative Decay Rates of Single CdSe Nanocrystals through a Controlled Modification of their Spontaneous Emission, Physical Review Letters, 2004, 93, 107403-4. [2] Johnson, S. G. and Joannopoulos, J. D., Block-iterative frequency-domain methods for Maxwell’s equations in a planewave basis Opt. Express, 2001, 8, 173-190 3 Synthétisés au LAAS en collaboration avec l’équipe de Françoise Lozes Dupuis 2