Optical and excitonic properties of 2D colloidal nanocrystals: type-II CdSe/CdTe core/crown hetero-structures and CsPbBr3 perovskite nanoplatelets
Propriétés optiques et excitoniques de nanocristaux colloïdaux 2D: hétéro-structures CdSe/CdTe et nanoplaquettes pérovskite CsPbBr3
Résumé
Colloidal nanoplatelets (NPLs) are 2D crystalline objects, chemically synthesized, and stabilized by a shell of ligands. Strong and homogeneous quantum confinement in the thickness direction leads to interesting properties for a large field of applications ranging from light display to lasing material. An understanding of the fundamental mechanisms at play in these structures is necessary to consider any of these applications. In this context, this PhD is dedicated to the study of the excitonic properties of two different types of NPLs. First, we study CdSe/CdTe core/crown hetero-NPLs, which support indirect excitons (electron being confined in the CdSe core and the hole being confined in the CdTe crown). Single object spectroscopy allows us to highlight how the strong LO phonon/exciton coupling and the spectral diffusion shape the emission spectrum. Then, measurements of the degree of polarization and time-resolved photoluminescence carried out as a function of the magnetic field allow us to unravel the electronic fine structure of these hetero-NPLs (two linear bright states split by an energy d1 = 50 μeV dominate the emission). A long spin relaxation lifetime (> 500 ns) is also evidenced at 1.6 K. In core/alloyed crown CdSe/CdSe1-xTex, a bicolor emission is observed and explained by the recombination of both the spatially indirect exciton and the direct exciton of the CdTe crown. Finally, a preliminary study on CsPbBr3 perovskite NPLs is conducted. We perform a structural characterization of these objects through optical measurements coupled to TEM imaging and highlight the difference between NPLs, characterized by 1D confinement, and nanosticks, where 2D confinement is at play. The exciton recombination dynamics are also studied and compared to the existing models describing the energy relaxation within the fine structure manifold.
Les nanoplaquettes (NPLs) colloïdales sont des objets cristallins 2D, obtenus par voie chimique et stabilisés en solution par les ligands qui les entourent. Le fort confinement qui existe dans la direction de leur épaisseur est à l’origine de propriétés intéressantes pour un certain nombre d’applications. Une compréhension des mécanismes fondamentaux en jeu dans ces structures est cependant nécessaire pour les envisager. Cette thèse de doctorat est dédiée à l’étude des propriétés excitoniques de deux types de NPLs. Premièrement, nous étudions des hétéro-NPLs coeur/couronne de CdSe/CdTe, où l’alignement de bande de type-II conduit à la formation d’un exciton indirect (l’électron étant confiné dans le coeur de CdSe et le trou dans la couronne de CdTe). La spectroscopie d’objet unique nous permet de montrer comment le fort couplage exciton/phonon-LO et la diffusion spectrale contribuent à l’élargissement du spectre d’émission. Ensuite, des mesures du degré de polarisation et de luminescence résolue en temps en fonction du champ magnétique permettent de montrer que la structure fine électronique est composée de deux états brillants linéairement polarisés et séparés par une énergie d1 = 50 μeV. Un temps de relaxation de spin relativement long (> 500 ns) est aussi mis en évidence à 1,6 K. Dans les NPLs coeur/couronne alliagée CdSe/CdSe1-xTex, une émission bicolore est observée et expliquée par la recombinaison à la fois de l’exciton indirect et de l’exciton direct de la couronne. Finalement, une étude préliminaire est effectuée sur des NPLs pérovskite CsPbBr3. Nous réalisons une caractérisation structurale des objets grâce à des mesures d’optique couplées à de l’imagerie TEM et nous nous identifions les réponses de NPLs, où le confinement est 1D, et celles où un confinement 2D est présent (nanobâtonnets). La dynamique de recombinaison de l’exciton dans ces structures est aussi étudiée et comparée aux modèles théoriques existants basés sur les transferts entre états de la structure fine.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)