Les résonances plasmon de surface localisées (LSPR), résultent des oscillations collectives des porteurs libres aux interfaces métal/diélectrique. Elles permettent de moduler finement les interactions lumière/matière, avec des applications majeures dans différents domaines comme l’optique, la détection, la spectroscopie exaltée et le photovoltaïque. Lorsque ces résonances se produisent dans des objets de taille nanométrique, des effets quantiques apparaissent, donnant naissance au domaine émergent de la plasmonique quantique, où coexistent excitations collectives et individuelles des porteurs. Ce sujet de thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR DIAAPASON (Doped Semiconductor Nanostructures Quantum Plasmonics) dont le but est d’explorer la frontière entre plasmonique quantique et plasmonique classique dans des nanostructures de silicium dopé. Dans ces matériaux semiconducteurs, la concentration en porteurs libres est plus faible que dans les métaux, et ajustable avec le dopage. La fréquence plasmon peut ainsi être librement modulée dans l’infrarouge offrant un degré de liberté supplémentaire et étendant la plasmonique à ce domaine spectral. En dehors de quelques travaux théoriques, aucune étude expérimentale des effets quantiques en plasmonique dans des nanostructures semiconductrices dopées n’a été réalisée à ce jour.
Les objectifs de cette thèse consisteront tout d’abord à élaborer des systèmes modèles constitués d’assemblages de nanodisques de silicium (SiNDs) de taille et de dopage contrôlés. Le/la doctorant(e) prendra en charge l’élaboration des SiNDs par des procédés top-down à partir de substrats Si On Insulator (SOI) dopés. Ces substrats seront nanostructurés en combinant lithographie par faisceau d’électrons et gravure, de manière à supporter des résonances plasmon avec un confinement quantique anisotrope. Il/elle participera à l’étude structurale des SiNDs dopés en Microscopie Électronique à Transmission Haute Résolution et spectroscopie analytique (STEM-EDX, STEM-EELS) pour la cartographie chimique des dopants à l'intérieur des SiNDs individuels.
Le/la doctorant(e) sera également en charge de l’étude des propriétés optiques de ces assemblées de petites antennes plasmoniques par spectroscopie IR. Afin de sonder l’effet des différents paramètres (taille, forme, dopage, distance entre SiNDs) sur la résonance plasmonique, il couplera ces mesures expérimentales à des simulations électromagnétiques de type FDTD (Finite Difference Time Domain). Ces modélisations seront complétées par des simulations atomistiques effectuées par un partenaire du projet DIAAPASON, permettant une description explicite des dopants et de leurs structures électroniques. Ce couplage entre méthodes de fabrication de pointe, mesures optiques avancées et simulations optiques et atomistiques permettra d'étudier l'impact de la réduction de taille et du régime à quelques électrons sur les propriétés plasmoniques de ces nanostructures semi-conductrices dopées.
En plus d’explorer la frontière entre plasmonique classique et quantique, cette thèse s’intéressera également à une nouvelle classe d’antennes plasmoniques basées sur le mouvement collectif de la densité de trous libres — ces porteurs de charge, tout comme les électrons, pouvant exister dans les semi-conducteurs. Ce nouveau type d’antennes plasmoniques sera obtenu en remplaçant les dopants de phosphore (dopage n) par des atomes de bore (dopage p). Pour ces derniers, la spectroscopie Raman sera utilisée afin d’une part de détecter l’insertion des dopants via les résonances Fano et d’autre part, afin de sonder les profils de dopage à l'échelle nanométrique, via les phonons acoustiques à haute fréquence qui seront utilisés ici comme sondes internes.
Ces nouvelles antennes plasmoniques de dimensions ultimes ouvrent la voie à la réalisation de dispositifs à commande quantique, tels que des sources à photon unique ou des transistors, entièrement compatibles avec la technologie de la microélectronique.
Les candidat(e)s doivent avoir une bonne formation en physique de la matière condensée et en optique. La connaissance du langage de programmation python sera appréciée.
Mots clés: plasmonique, silicium, dopage, spectroscopie infra-rouge.
Contexte de travail
La thèse aura lieu au CEMES-CNRS (UPR8011) à Toulouse (https://www.cemes.fr/), dans le groupe de Nano-optique et Nanomatériaux pour l'optique (NeO).
Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.
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