Étude des propriétés électroniques et de la dynamique des charges dans diverses nanostructures semi-conductrices par la spectroscopie térahertz

Cette thèse présente les résultats de l’étude des propriétés électroniques de diverses nanostructures semi-conductrices. Le but principal est de déterminer l’influence du dopage, du désordre et des dimensions des nanostructures sur le transport des charges électroniques en utilisant des techniques de spectroscopie térahertz. Trois types de nanostructures sont étudiés dans cette thèse, notamment, des nanocomposites de silicium mésoporeux graphénisés, des nanofils de silicium ayant différents niveaux de dopage, et enfin des couches polycristallines d’InGaAs. L’étude des propriétés structurelles, optiques et diélectriques dans le domaine du térahertz des nanocomposites de silicium mésoporeux graphénisés est pionnière. Elle met en relief la stabilité de la morphologie et le caractère diélectrique des nanocomposites. La température du dépôt de la couche graphénisée est un paramètre important. La spectroscopie térahertz révèle que l’augmentation de la température de dépôt augmente l’indice de réfraction, diminue la porosité et induit la formation des états de surface aux interfaces Si/graphène. Par ailleurs, des mesures de photoluminescence indiquent que ces états de surface sont en partie responsables de la recombinaison non-radiative des photoporteurs. L’étude de la dynamique des photoporteurs par la spectroscopie pompe-optique sonde-térahertz montre que les états de surface aux interfaces Si/graphène se comportent comme des pièges de photoporteurs. La capture des photoporteurs s’effectue de 2 à 4 ps après l’excitation des nanocomposites graphénisés et est suivie de la recombinaison des photoporteurs dans les états des pièges pendant typiquement 25 ps. Les temps de capture et de recombinaison observés pour les nanocomposites sont considérablement plus petits que les temps de 74 ps et 730 ps dans la membrane libre de silicium mésoporeux en raison de la forte densité des pièges. Le transport de charges est affecté par une barrière de potentiel qui tend à confiner les photoporteurs dans le volume des nanocristallites de silicium. Cette barrière de potentiel est corrélée à la densité de pièges chargés. La mobilité effective dans les nanocomposites est la même que celle de la membrane libre de silicium mésoporeux malgré l’augmentation de la localisation des porteurs avec la température. Les travaux portant sur les nanofils de silicium crûs sur substrat de silicium révèlent une contribution très importante des porteurs crées dans le substrat à la dynamique générale ayant des temps vie de quelques nanosecondes pour des excitations à 400 nm et d’une dizaine de nanosecondes pour des excitations à 800 nm. Le transfert des nanofils sur une membrane d’acétate permet d’observer la dynamique des charges propres aux nanofils. Nos résultats démontrent que pour ces derniers échantillons, le temps de vie des photoporteurs diminue avec le dopage, typiquement de 100 ps dans des nanofils non-dopés, à typiquement 25 ps dans les échantillons dopés à 5 × 1019 cm−3. L’étude de l’influence de la fluence laser sur le temps de vie révèle que la chute du temps de vie avec le niveau de dopage résulte principalement d’une augmentation de la densité de pièges de surface avec le niveau du dopage. Toutefois, ces temps de vie relativement grands montrent une amélioration dans la passivation de surface des nanofils de silicium par rapport à ceux étudiés lors de travaux antérieurs. Des études précédentes montrent que l’implantation en ions Fe à hautes énergies d’une couche d’InGaAs cristalline amorphise la couche et augmente considérablement sa résistivité au-delà de 1000 Ω.cm. Dans cette thèse, la dynamique des photoporteurs est décrite selon un modèle physique de capture de photoélectrons par des pièges profonds créés durant l’implantation, suivie de leur recombinaison avec des trous en excès dans ces pièges chargés. Le temps de vie des photoporteurs augmente de 0,7 ps à 7 ps tandis que la densité de pièges diminue pour des températures de recuit dans l’intervalle de température allant de 300∘C à 700∘C. L’étude de la photoconductivité révèle l’impact de la localisation des charges par les défauts aux interfaces des grains et aussi par la taille de ces derniers. La mobilité effective déduite de l’analyse des courbes de photoconductivité est d’environ 2750 cm2/(V.s). D’un point de vue global, les résultats de la présente étude montrent que l’ingénierie des défauts d’interface dans les nanostructures semi-conductrices est d’intérêt tant pour la fabrication de matériaux photoconducteurs ultra-rapides que pour le développement de matériaux optoélectroniques

Étude des propriétés électroniques et de la dynamique des charges dans diverses nanostructures semi-conductrices par la spectroscopie térahertz

Cette thèse présente les résultats de l’étude des propriétés électroniques de diverses nanostructures semi-conductrices. Le but principal est de déterminer l’influence du dopage, du désordre et des dimensions des nanostructures sur le transport des charges électroniques en utilisant des techniques de spectroscopie térahertz. Trois types de nanostructures sont étudiés dans cette thèse, notamment, des nanocomposites de silicium mésoporeux graphénisés, des nanofils de silicium ayant différents niveaux de dopage, et enfin des couches polycristallines d’InGaAs. L’étude des propriétés structurelles, optiques et diélectriques dans le domaine du térahertz des nanocomposites de silicium mésoporeux graphénisés est pionnière. Elle met en relief la stabilité de la morphologie et le caractère diélectrique des nanocomposites. La température du dépôt de la couche graphénisée est un paramètre important. La spectroscopie térahertz révèle que l’augmentation de la température de dépôt augmente l’indice de réfraction, diminue la porosité et induit la formation des états de surface aux interfaces Si/graphène. Par ailleurs, des mesures de photoluminescence indiquent que ces états de surface sont en partie responsables de la recombinaison non-radiative des photoporteurs. L’étude de la dynamique des photoporteurs par la spectroscopie pompe-optique sonde-térahertz montre que les états de surface aux interfaces Si/graphène se comportent comme des pièges de photoporteurs. La capture des photoporteurs s’effectue de 2 à 4 ps après l’excitation des nanocomposites graphénisés et est suivie de la recombinaison des photoporteurs dans les états des pièges pendant typiquement 25 ps. Les temps de capture et de recombinaison observés pour les nanocomposites sont considérablement plus petits que les temps de 74 ps et 730 ps dans la membrane libre de silicium mésoporeux en raison de la forte densité des pièges. Le transport de charges est affecté par une barrière de potentiel qui tend à confiner les photoporteurs dans le volume des nanocristallites de silicium. Cette barrière de potentiel est corrélée à la densité de pièges chargés. La mobilité effective dans les nanocomposites est la même que celle de la membrane libre de silicium mésoporeux malgré l’augmentation de la localisation des porteurs avec la température. Les travaux portant sur les nanofils de silicium crûs sur substrat de silicium révèlent une contribution très importante des porteurs crées dans le substrat à la dynamique générale ayant des temps vie de quelques nanosecondes pour des excitations à 400 nm et d’une dizaine de nanosecondes pour des excitations à 800 nm. Le transfert des nanofils sur une membrane d’acétate permet d’observer la dynamique des charges propres aux nanofils. Nos résultats démontrent que pour ces derniers échantillons, le temps de vie des photoporteurs diminue avec le dopage, typiquement de 100 ps dans des nanofils non-dopés, à typiquement 25 ps dans les échantillons dopés à 5 × 1019 cm−3. L’étude de l’influence de la fluence laser sur le temps de vie révèle que la chute du temps de vie avec le niveau de dopage résulte principalement d’une augmentation de la densité de pièges de surface avec le niveau du dopage. Toutefois, ces temps de vie relativement grands montrent une amélioration dans la passivation de surface des nanofils de silicium par rapport à ceux étudiés lors de travaux antérieurs. Des études précédentes montrent que l’implantation en ions Fe à hautes énergies d’une couche d’InGaAs cristalline amorphise la couche et augmente considérablement sa résistivité au-delà de 1000 Ω.cm. Dans cette thèse, la dynamique des photoporteurs est décrite selon un modèle physique de capture de photoélectrons par des pièges profonds créés durant l’implantation, suivie de leur recombinaison avec des trous en excès dans ces pièges chargés. Le temps de vie des photoporteurs augmente de 0,7 ps à 7 ps tandis que la densité de pièges diminue pour des températures de recuit dans l’intervalle de température allant de 300∘C à 700∘C. L’étude de la photoconductivité révèle l’impact de la localisation des charges par les défauts aux interfaces des grains et aussi par la taille de ces derniers. La mobilité effective déduite de l’analyse des courbes de photoconductivité est d’environ 2750 cm2/(V.s). D’un point de vue global, les résultats de la présente étude montrent que l’ingénierie des défauts d’interface dans les nanostructures semi-conductrices est d’intérêt tant pour la fabrication de matériaux photoconducteurs ultra-rapides que pour le développement de matériaux optoélectroniques.Non disponibl

Terahertz spectroscopy of graphene-mesoporous silicon nanocomposites

3ème meilleur poster du groupement 1.International audienc

Terahertz spectroscopy of graphene-mesoporous silicon nanocomposites

3ème meilleur poster du groupement 1.International audienc

Structural, optical and terahertz properties of graphene-mesoporous silicon nanocomposites

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Ultrafast photocarrier dynamics in Fe-implanted InGaAs polycrystalline photoconductive materials

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Terahertz photoconductivity and photocarrier dynamics in graphene–mesoporous silicon nanocomposites

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Sub-zeptojoule detection of terahertz pulses by parametric frequency upconversion

We combine parametric frequency upconversion with single-photon counting technology to achieve detection sensitivity down to the terahertz (THz) single-photon level. Our relatively simple detection scheme employs a near-infrared ultrafast source, a GaP nonlinear crystal, optical filters, and a single photon avalanche diode. This configuration is capable of detecting a weak THz signal with an energy of 590 zJ contained within a single pulse. Through averaging over 50k data points, the configuration can resolve a 0.5 zJ pulse energy, corresponding to an average of 0.5 photon per pulse. The corresponding noise-equivalent power and THz-to-NIR photon detection efficiency are $4.1 \times 10^{-17} W/\sqrt{Hz}$ and 0.19%, respectively. To test our scheme, we perform spectroscopy of water vapor between 1.0 and 3.7 THz and obtain results in agreement with to those acquired with a standard electro-optic sampling (EOS) method. Our technique provides a 0.2 THz spectral resolution offering a fast alternative to EOS THz detection for monitoring specific spectral components in THz spectroscopy, imaging and communications applications

Revisiting Pressure-Induced Transitions in Mesoporous Anatase TiO 2

International audienc