H/F Thèse "Plasmonique quantique à base de nanostructures de silicium dopées"

Sujet de thèse :
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 p
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