Structures photoniques à base de nanocristaux de silicium PDF Download
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Author: Alexandre Bibeau-Delisle
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Author: Alexandre Bibeau-Delisle
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Author: David Amans
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Languages : fr
Pages : 480
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L'étude intitulée "microsources photoniques à base de nanocristaux de silicium" porte sur l'utilisation du silicium comme matériau actif dans une source de lumière. On cherche donc à déterminer si le silicium, omniprésent dans l'industrie de l'électronique, peut également être utilisé dans l'optoélectronique. Notre but est alors de réaliser une source utilisant comme matériau émetteur des nanocristaux de silicium. Ce sont des grains de silicium monocristallins, sphériques et d'un diamètre compris entre 3 nm et 7.5 nm. Leur émission dans le visible est interprétée dans le cadre du confinement quantique. Les nanocristaux sont placés dans une cavité résonante formée par deux miroirs de Bragg. Les miroirs de Bragg sont composés de matériaux diélectriques: SiO2 et TiO2. La cavité plane ainsi constituée est le dispositif le plus couramment utilisé pour la réalisation de laser. Ce travail comporte quatre parties distinctes. La première partie concerne l'étude des propriétés intrinsèques des nanocristaux de silicium en couche mince: indices optiques et propriétés de photoluminescence. Dans une seconde partie, nous avons étudié les miroirs de Bragg et les cavités planes afin d'optimiser nos sources pour l'émission verticale. La troisième partie décrit la réalisation et la caractérisation en photoluminescence des sources. On a notamment observé la modification de l'émission spontanée induite par la cavité, à partir de mesures de temps de vie de photoluminescence. La réalisation et la caractérisation des cavités planes présentant une direction de confinement étant concluante, nous avons étudié les structures autorisants le confinement de la lumière selon 2 directions puis 3 directions. Dans la quatrième partie, nous exposons donc l'étude préliminaire traitant du confinement de la lumière au sein d'un dépôt de nanocristaux arrangé en cristal photonique 2D. Nous avons réalisé des dépôts structurés et nous avons calculé la structure de bande photonique correspondant à la morphologie idéal du cristal photonique 2D.
Author: Sylvain David (physicien et auteur d'une thèse en 2003).)
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Languages : fr
Pages : 168
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Les cristaux photoniques sont des structures artificielles dont la constante diélectrique est rendue périodique. La propriété essentielle de ces structures est l'ouverture de bandes interdites photoniques pour lesquelles la propagation de la lumière n'est pas autorisée. Une bande interdite complète s'obtient selon certaines conditions portant sur le contraste d'indice, les dimensions et les symétries des réseaux. Ce travail de thèse est essentiellement consacré à l'étude et la réalisation de cristaux photoniques bidimensionnels à base de silicium pour les longueurs d'onde 1,3 - 1,55 [mu]m. Les dispositifs à cristaux photoniques planaires sont confinés par une variation d'indice dans la troisième direction. Deux approches sont envisagées : le fort confinement pour les microcavités et le faible confinement pour l'optique guidée. Nous avons réalisé des microcavités planaires à cristaux photoniques sur substrat SOI (silicium sur isolant) intégrant des boîtes quantiques Ge/Si. Nous avons montré une forte exaltation de la luminescence dans la gamme 1,3 - 1,55[mu]m, caractérisée par un comportement surlinéaire de l'émission. Cette forte augmentation est à la fois le résultat de l'extraction de la lumière par le cristal photonique, mais également la signature d'une forte localisation spatiale des porteurs de charge dans la microcavité. Nous avons également travaillé sur la réalisation de guide d'onde à cristaux photoniques de faible confinement vertical pour le guidage planaire, en utilisant deux technologies : la gravure photo-électrochimique et la gravure plasma ICP (Inductively Coupled Plasma). Nous avons montré la possibilité de réaliser des structures à cristal photonique à travers des guides épais SiGe (2 [mu]m) enterrés dans le silicium. Nous avons également modélisé de nouveaux cristaux photoniques tels que les pavages d'Archimède ou les approximants de quasi-cristaux dans le but d'obtenir le comportement le plus isotrope possible.
Author: Céline Vion
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Languages : fr
Pages : 210
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Nous présentons le couplage de nanocristaux colloïdaux II/VI à un environnement contrôlé dans l’objectif d’améliorer leurs performances aussi bien en tant que sources classiques (directivité, affinement spectral, luminance...) qu'en tant qu'émetteurs individuels de photons uniques. Nous avons étudié l’effet d’une surface d’or présentant une résonance plasmon sur la luminescence de nanocristaux individuels. Le couplage des nanocristaux à des opales de silice - des cristaux photoniques à trois dimensions composés de billes de silice de quelques centaines de nanomètres de diamètre - a montré une modification importante du diagramme de rayonnement et une inhibition de 10% du temps de recombinaison spontanée en accord avec des calculs théoriques de modification de la densité locale d’états photoniques. Enfin, une étude théorique et une caractérisation optique de cristaux photoniques deux dimensions gravés dans du nitrure de silicium montre la possibilité de réaliser des structures photoniques pour le visible en vue de l’exaltation de la luminescence d’un nanocristal unique.
Author: Thi-Phuong Ngo
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Languages : fr
Pages : 144
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Le travail de cette thèse porte sur l'étude des composants photoniques à base d'îlots quantiques Ge/Si et du germanium pur pour la nanophotonique proche infrarouge. La première partie est consacrée à l'étude des cavités à cristaux photoniques en utilisant la photoluminescence des boîtes quantiques Ge/Si auto-assemblées. Les travaux sont centrés sur les nanocavités L3 et H1 réalisées dans les structures photoniques suspendues en silicium. La caractérisation optique par la technique de source interne permet d'obtenir des paramètres associés aux dynamiques de recombinaisons des porteurs de charges dans ces structures. Le facteur de qualité du mode fondamental des cavités n'est limité que par la résolution du spectromètre et non pas par la fabrication. La deuxième partie est consacrée à l'étude des cristaux photoniques réalisés sur substrat de germanium pur sur isolant (GeOI). Le substrat GeOI est constitué d'une couche fine de germanium pur séparée avec son substrat par une couche de silice. Les propriétés optiques sont sondées par la recombinaison radiative de la bande interdite directe du germanium pur à température ambiante. Les résonances des modes optiques sont observées de 1300 nm à 1700 nm dans les nanocavités L3 et H1. Les positions spectrales des résonances peuvent être contrôlées par le pas du réseau et le facteur de remplissage. Proche du bord de bande directe du germanium, le facteur de qualité est limité par l'absorption du matériau. Finalement, le dopage n du germanium obtenu par les techniques de dopage laser et de croissance aux organo-métalliques a été étudié. Ce travail montre que la photoluminescence est fortement exaltée à température ambiante à la fois pour le germanium massif et pour le germanium sur isolant en présence d'un fort dopage n. Les perspectives pour réaliser un laser en germanium dans la filière silicium sont présentées.
Author: Etienne Gaufrès
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Languages : fr
Pages : 185
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Depuis leur découverte, les nanotubes de carbone ont suscité un grand intérêt pour leurs propriétés électroniques et optiques. Dans ce contexte, l'objectif de la thèse a été d'étudier les propriétés optiques des nanotubes de carbone semiconducteurs pour la réalisation de composants photoniques aux longueurs d'onde des télécommunications. La première partie de la thèse a concerné l'évolution des propriétés optiques des s-SWNTs en fonction de l'environnement des nanotubes : Pour cela une méthode d'extraction des s-SWNTs a été développée en collaboration avec l'AIST Tsukuba au Japon. L'influence néfaste des nanotubes métalliques et des impuretés sur les propriétés optiques des s-SWNTs ont été mis en évidence. Les différentes caractérisations effectuées sur des couches minces hautement purifiées en s-SWNTs ont révélés une amélioration du signal de luminescence des nanotubes semiconducteurs. Ces résultats ont conduit dans une seconde partie à étudier l'émission des s-SWNTs en régime non linéaire. Un gain optique dans les nanotubes semiconducteurs a pu être ainsi démontré expérimentalement pour la première fois. La dernière partie des travaux de thèse a porté sur l'intégration optique de ces nanotubes de carbone dans des structures photoniques silicium. Ces travaux expérimentaux ouvrent la voie vers la réalisation de sources de lumière intégrées sur silicium à base de nanotubes de carbone et à plus long terme vers une nouvelle photonique à base de nanotubes de carbone.
Author: Mohamed Hiraoui
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Pages : 185
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Le travail de cette thèse porte sur la réalisation de structures de type ARROW à base de silicium poreux (SP) pour des applications de biodétection. Ces structures favorisent un meilleur recouvrement entre la lumière propagée et les molécules attachées dans la couche active. Le suivi, par spectroscopies Raman, FTIR et par réflectométrie, de la modification chimique de la surface interne des couches poreuses a permis de confirmer la fixation des biomolécules et de déterminer la variation d’indice de réfraction de ces couches après chaque étape de fonctionnalisation et greffage protéinique de BSA (Bovin Serum Albumin). Les caractérisations optiques des ARROW réalisés dans les conditions définies par une étude théorique ont montré une modification de la propagation de la lumière engendrée par la bio-fonctionnalisation et le greffage de la protéine BSA. Les résultats expérimentaux obtenus coïncident avec ceux obtenus par simulation (Méthode des faisceaux propagés) et une sensibilité estimée à 3600/UIR a été déterminée en mode TE. Après avoir démontré la faisabilité de la structure ARROW à base de SP comme un transducteur optique, cette dernière a été intégrée dans une structure interférométrique de type Mach-Zehnder. Une variation d’indice de réfraction de l’ordre de 10-3 correspondant à environ 1013 molécules de BSA greffées /cm2 a été obtenue.
Author: Patrick Ferrand (physicien).)
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Ce travail est consacre a la realisation et a l'etude de microstructures a bande interdite photonique a base de silicium nanoporeux. Nous commencons notre etude par des structures planaires de type microcavite, dont nous caracterisons l'influence sur la photoluminescence du materiau, en termes de redistribution spectrale et angulaire. Il apparait tres vite la necessite de controler la propagation de la lumiere dans le plan de la structure. Aussi, nous cherchons d'abord a favoriser la propagation laterale au moyen d'une structuration verticale de l'indice, et nous etudions le guidage au moyen de deux types de structures, exploitant soit a un guidage conventionnel par reflexion totale interne, soit a un guidage par reflexion de bragg. A cette occasion, nous proposons une methode numerique basee sur le formalisme des matrices de transfert, permettant de calculer l'attenuation de la puissance transportee dans le plan. Par la suite, nous mettons a profit le procede holographique de structuration d'indice demontre par des travaux anterieurs et etudions son influence sur la lumiere guidee. La transmission, mesuree en lumiere blanche sur un guide multimode revele de multiples bandes interdites que nous interpretons en termes de couplages diagonaux et non diagonaux. La confrontation des mesures avec une modelisation par la methode des modes couples nous permet d'etablir une carte d'indice de notre structure. Il apparait une birefringence marquee dans les regions insolees par le procede holographique, caracterisees par une diminution deux fois plus importante de l'indice extraordinaire (n = 0,4) que de l'indice ordinaire (n = 0,22). Avec une periode de 450 nm, ces valeurs de contraste sont encourageantes, mais le bilan est plus mitige concernant la profondeur effective sur laquelle l'indice est module, de l'ordre de seulement 0,5 m.
Author: Charles Caër
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Les travaux de cette thèse apportent une contribution théorique et expérimentale aux études portant sur les cristaux photoniques planaires à fente pour l'exaltation locale du champ électromagnétique. Nous avons étudié la propagation de lumière lente dans des cristaux photoniques à fente en réalisant une ingénierie de dispersion et le confinement de la lumière dans des micro-cavités à fente structurée. Nous avons pour cela effectué des calculs 3D pour optimiser les propriétés de dispersion des cristaux photoniques en structurant la fente elle-même. Cette optimisation a permis d'observer un renforcement de la localisation du champ électromagnétique dans la fente en vue d'un remplissage par des matériaux fortement non linéaires. Nous avons développé un procédé de fabrication pour les cristaux photoniques dans des structures en silicium sur isolant basé sur la lithographie électronique et la gravure plasma. Le régime de lumière lente a été caractérisé expérimentalement et nous a permis de valider la méthode d'optimisation choisie. Des facteurs de ralentissement supérieurs à 10 ont été mesurés dans des dispositifs allant jusqu'à 1 mm de long. Des micro-cavités à fente avec des facteurs de qualité supérieurs à 20000 sur substrat SOI ont été réalisées. Nous avons effectué des mesures d'optique non linéaire dans des guides à cristaux photoniques à fente et avons montré que les effets non linéaires du silicium sont réduits malgré l'exaltation du champ électromagnétique comparés à ceux présents dans des guides à cristaux photoniques standards. Nous avons enfin étudié les pertes le désordre dans ce type de structure par mesures de réflectométrie optique à faible cohérence.
Author: Pierre-Olivier Noé
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Le silicium est reconnu comme étant un mauvais émetteur de lumière à cause de son gap indirect. Diverses stratégies ont été développées pour améliorer son rendement d'émission, le Si constituant le matériau de choix pour la photonique. Ce manuscrit présente l'élaboration et la caractérisation de matériaux originaux à base de silicium afin de proposer des solutions alternatives pour améliorer les propriétés d'émission de lumière du Si. Ce travail est divisé en 4 parties avec tout d'abord une revue de l'état de l'art de l'émission de lumière dans le Si et les bases sur les mécanismes de recombinaison dans le Si. Une seconde partie se concentre sur l'élaboration et l'étude de dispositifs électroluminescents à base de Si comportant un réseau de dislocations enterrées un niveau d'une jonction PN obtenu par collage moléculaire. L'émission de lumière située vers 1,1 et 1,5 μm (1,1 et 0,8 eV) est attribuée à la recombinaison des porteurs sur les états piège induits par des précipités de bore et d'oxyde dans le voisinage de dislocations (E^phonon_Bore vers 1.1eV et Dp~0.8eV) et des états de défauts localisés à l'intersection du réseau carré de dislocations vis (D1~0.8eV). Une troisième partie traite de l'élaboration et des propriétés optique d'ions Er3 + couplés avec des nanostructures de Si dans des films minces de SRO (Silicon-Rich Oxide) obtenus par co-évaporation de SiO et d'Er. Dans cette matrice, l'efficacité d'excitation indirecte de l'Er à 1,5 μm via les nanostructures est démontrée par la mesure de sections efficaces effectives d'excitation de l'Er entre 2x10-16 cm2 et 5x10-15 cm2 en fonction du flux d'excitation et des paramètres d'élaboration. Le principal résultat est la forte diminution avec la température de recuit de la fraction d'ions Er3+ émetteurs susceptible d'être inversée. Des expériences EXAFS révèlent que ce comportement est en corrélation avec l'évolution de l'ordre chimique local autour des atomes d'Er. Dans une dernière partie est présentée l'élaboration de nanostructures de Si de type nanofils cœur-coquille Si/SiO2. Ces structures cœur-coquille sont obtenues par trois méthodes différentes. Les structures obtenues par dépôt d'oxyde sur la surface de nanofils de silicium CVD catalysées avec de l'Au présentent une émission autour de 500 nm efficace à température ambiante due à la recombinaison des porteurs photo-générés au niveau des états de défauts dans la couche d'oxyde et à l'interface Si/SiO2. L'intensité de PL collectée est de plus d'un ordre de grandeur supérieure à celle mesurée sur des films minces de SiO2 similaires déposés sur des substrats de Si. En outre, la passivation des nanofils de Si CVD par un procédé d'oxydation thermique permet de neutraliser les états de surface qui dominent dans de telles structures. La mesure des vitesses de recombinaison de surface semble indiquer que ces nanofils ainsi passivés présentent des propriétés électroniques de volume similaires à celles du Si standard de microélectronique. Enfin, une nouvelle méthode pour l'élaboration in situ de nanofils cœur-coquille Si/SiO2 basée sur l'évaporation d'une source solide SiO avec l'Au et le Cu comme catalyseurs est détaillée. La croissance des fils catalysés par l'Au se produit dans le mode de croissance VLS (Vapor-Liquid-Solid comme en CVD) donnnat des nanofils présentant un cœur de Si cristallin et une coquille amorphe d'oxyde. En revanche, la croissance des nanofils catalysée par le Cu semble se produire préférentiellement à plus basse température en mode VSS (Vapeur-Solide-Solide) expliquant pourquoi ces NFs présentent une forte densité de défauts cristallins dans la cœur de Si contrairement aux fils catalysés Au.
