Contrôle du transfert d'énergie et des mécanismes de transport dans des hétérostructures d'oxyde et de nanoparticules métalliques pour une meilleure absorption de la lumière – TETROX

Les oxydes métalliques OM décorés de nanoparticules (NPs) métalliques ont démontré un énorme potentiel d'application dans des domaines tels que la détection chimique, le photovoltaïque, la photodégradation par la lumière visible, les matériaux photocatalytiques, la séparation photoélectrochimique de l'eau ou les photodétecteurs. La résonance plasmonique des NP améliore l'interaction du matériau OM avec la lumière en raison de trois mécanismes : la diffusion de la lumière, le transfert résonant d'énergie induit par plasmon (PIRET) et l'injection de porteurs chauds. Cependant, l'effet dépend drastiquement du couplage OM-NP métallique, qui est loin d'être compris en détail, bien qu'il soit au cœur de toutes les applications envisagées.

Le projet TETROX s’attaque au défi persistant de la conversion inefficace de la lumière en énergie dans les nanostructures d’oxydes métalliques (MO), limitées par leurs larges bandes interdites et leur recombinaison rapide électron-trou. En intégrant stratégiquement des nanoparticules d’or plasmoniques (Au NPs) avec des nanostructures de ZnO et CuO via le dépôt en couches atomiques (ALD), cette initiative vise à exploiter les effets de résonance plasmonique de surface localisée (LSPR) pour amplifier la collecte de lumière et le transport de charges.

Les principaux objectifs de TETROX sont :
(i) d'étudier les mécanismes de couplage des semi-conducteurs à oxyde métallique archétypiques de type n et p (par ex. ZnO, CuO) décorés par des NP métalliques, y compris les propriétés électriques locales sous irradiation lumineuse à différentes longueurs d'onde en utilisant des mesures spectroscopiques originales à l'échelle nanométrique développées à l'IPCMS et des simulations effectuées au LIST ;
(ii) étudier l'influence du couplage entre les NP métalliques et la surface des OM, et notamment de découpler les effets de transfert direct de charge vs. transfert d’énergie résonant, en utilisant un dépôt diélectrique ultra-mince et une spectroscopie de photoconductance locale ;
(iii) contrôler le dépôt conforme de NP métalliques sur des nanostructures d'oxyde 3D complexes en utilisant des méthodes originales de dépôt conforme en phase vapeur développées au LIST pour une meilleure collection de la lumière.

Les résultats attendus incluent une amélioration de la réponse et une extension de la plage de photodétection dans les hétérostructures Au-MO par rapport aux MO nus. L’intégration de l’ALD, de la spectroscopie nanométrique et de la modélisation produira des principes de conception actionnables pour les systèmes plasmoniques 3D, comme une densité optimale de NPs pour une diffusion maximale ou une épaisseur de couche interface pour un transfert énergie/charge équilibré. Ces avancées combleront des lacunes fondamentales sur les mécanismes plasmoniques tout en offrant un cadre évolutif pour les dispositifs optoélectroniques de nouvelle génération : cellules solaires haut rendement, photodétecteurs ultrasensibles et plateformes photocatalytiques robustes.

TETROX répond directement aux critères définis par l’axe H.10, notamment la synthèse maîtrisée de nano-objets fonctionnels, la gestion précise des interactions aux interfaces et la démonstration de nouvelles propriétés résultant des couplages à l’échelle nanométrique. Le projet répond spécifiquement aux défis liés à la nanostructuration, à la fonctionnalisation et au contrôle précis des interfaces à l’échelle nanométrique. En combinant le dépôt en couches atomiques (ALD) pour obtenir des nanoparticules métalliques d’or (Au NPs) à la fois conformes et finement contrôlées sur des nanostructures complexes d’oxydes métalliques, ce projet explore les interactions à l’échelle nanométrique pour générer des propriétés optoélectroniques nouvelles par le couplage plasmonique.