Nanocristaux Colloïdaux Dopés Infrarouges – FRONTAL

Poussées par les préoccupations environnementales de notre civilisation thermo-industrielle et la forte intégration, de nouvelles applications infrarouges, comme la mesure portable de pollution or l'imagerie thermique pour la gestion énergétique des bâtiments, émergent actuellement. Ces applications couvrent de larges domaines médicaux, militaires et industriels, ainsi que la vie civile quotidienne. Le cœur de ces applications nécessite des détecteurs bas coûts dans la gamme spectrale du corps noir (longueur d'onde plus grande que 3 µm). Les technologies actuelles à base de semi-conducteurs épitaxiés ou d'électronique organique ou de microbolomètres n'apporteront probablement pas de rupture simultanée de coûts et de performances. Au contraire les boîtes quantiques colloïdales (CQD) sont des alternatives simples, et à la synthèse chimique bas coût, qui ont très récemment montré du dopage et des propriétés moyen et lointain infrarouges naturelles accordables avec leur taille.
Cependant ces nanostructures souffrent encore d'un manque crucial de données fondamentales théoriques et expérimentales pour leur utilisation et optimisation dans les dispositifs infrarouges, et plus généralement comme centres actifs pour la (nano)photonique et l'optoélectronique infrarouge colloïdale émergeante. Actuellement la dynamique intrinsèque des nanocristaux dopés n, dont dépend les performances de ces dispositifs, est essentiellement inconnue. Les mécanismes de relaxation de l'énergie d'un électron confiné, ou de plusieurs, doivent encore être identifiés. La réponse optique et électronique jusqu'à l'échelle de la boîte quantique unique n'a jamais été mesurée. L'importance du couplage électron-phonon doit encore être évaluée.
Le projet fondamental FRONTAL s'attaque spécifiquement à ces connaissances manquantes. FRONTAL quantifiera et analysera la réponse optique et la dynamique ultrarapide de nanocristaux colloïdaux dopés n dans le proche, moyen et lointain infrarouge (longueur d'onde 1-20 µm). À cause de leur proximité avec les matériaux HgCdTe de l'industrie de la photodétection infrarouge, les nanocristaux dopés HgSe et HgTe serviront de système commun. Une alternative non-toxique Ag2Se sera également considérée. En s'appuyant sur une combinaison de techniques de pointe exploitant les signatures électroniques, optiques, acoustiques et thermiques de ces nanostructures, et d'une modélisation 3D dans le formalisme k.p multibandes, les 6 partenaires vont :
1. Donner une description théorique et expérimentale détaillée de la réponse optique des nanocristaux dopés dans toute la gamme de l'infrarouge en descendant à l'échelle nanométrique de la particule unique.
2. Mesurer les temps et identifier les mécanismes gouvernant la relaxation de l'énergie sur des échelles 30 fs – 10 µs grâce à une spectroscopie pompe-sonde ultrarapide en résonance avec les transitions intrabandes moyen et lointain infrarouges et de la photoémission résolue en temps.
3. Évaluer le couplage électron-phonon en tant qu'interaction intrinsèque clef par spectroscopie ultrarapide photoacoustique, à sonde infrarouge, et par diffraction électronique.
4. Discuter du potentiel des nanocristaux colloïdaux dopés pour l'optoélectronique infrarouge en lien avec un industriel français leader de la détection infrarouge.
Au-delà de l'impact scientifique et académique, FRONTAL rapprochera les nanocristaux colloïdaux dopés du marché infrarouge. En s'appuyant sur plusieurs signatures de nature optique, électronique, acoustique et thermique, le projet fournira des données résolues spectralement, en temps et spatialement à l'échelle du nanomètre pour imaginer, concevoir et optimiser la prochaine génération de dispositifs infrarouges bas coût comme technologie infrarouge émergeante à base de nanocristaux colloïdaux.