Propriétés de fluorescence de nanocristaux de CdSe individuels

181 Pages·2017·4.63 MB·French

by  Xavier Brokmann

Propriétés de fluorescence de nanocristaux de CdSe
individuels
Xavier Brokmann
To cite this version:
Xavier Brokmann. Propriétés de fluorescence de nanocristaux de CdSe individuels. Physique Atom-
ique [physics.atom-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2004. Français. ￿NNT: ￿. ￿tel-
00007873￿
HAL Id: tel-00007873
https://theses.hal.science/tel-00007873
Submitted on 30 Dec 2004
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Laboratoire Kastler Brossel
Thèse de doctorat
de l'Université Paris VI Pierre et Marie Curie
Spécialité : Physique quantique
présentée par
Xavier Brokmann
pour obtenir le grade de Docteur de l'Université Paris VI
Sujet de la thèse :
Propriétés de fluorescence
de nanocristaux de CdSe individuels
Soutenue le 8 novembre 2004 devant le jury composé de :
M. François BARDOU
Mme Maria CHAMARRO
M. Maxime DAHAN (invité)
M. Jörg ENDERLEIN
Mme Elisabeth GIACOBINO (directrice de thèse)
M. Jean-Pierre HERMIER (invité)
M. Michel ORRIT (rapporteur)
M. Jean-Philippe POIZAT (rapporteur)

Laboratoire Kastler Brossel
Thèse de doctorat
de l'Université Paris VI Pierre et Marie Curie
Spécialité : Physique quantique
présentée par
Xavier Brokmann
pour obtenir le grade de Docteur de l'Université Paris VI
Sujet de la thèse :
Propriétés de fluorescence
de nanocristaux de CdSe individuels
Soutenue le 8 novembre 2004 devant le jury composé de :
M. François BARDOU
Mme Maria CHAMARRO
M. Maxime DAHAN (invité)
M. Jörg ENDERLEIN
Mme Elisabeth GIACOBINO (directrice de thèse)
M. Jean-Pierre HERMIER (invité)
M. Michel ORRIT (rapporteur)
M. Jean-Philippe POIZAT (rapporteur)

Les pattes du canard sont courtes, il est vrai; mais les allonger ne lui apporterait rien.
Tchouang Tseu ( 300 av. J.C.)
∼
De deux choses lune, l’autre, c’est le soleil.
Paroles, Jacques Pr´evert (1946)
Table des mati`eres
1 Introduction 1
1.1 Contexte historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Enjeux scientifiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Plan du manuscrit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Nanocristaux de CdSe 7
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.1 Synth`ese par d´ecomposition de pr´ecurseurs organo-m´etalliques . . . . 8
2.1.2 Propri´et´es structurelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Structure ´electronique globale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1 Etats tr`es excit´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.2 Etats quantifi´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.3 Notations spectroscopiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.4 Transitions optiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Structure fine de la transition fondamentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.1 Termes perturbatifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.2 Structure fine de la transition 1S 1S . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
e 3/2
2.3.3 Evolutiondespropri´et´esdefluorescencedesnanocristauxaveclatemp´erature 18
2.3.4 Preuves exp´erimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3 Clignotement 23
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2 Observation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.1 Introduction exp´erimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.2 Statistiques de clignotement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.3 Lois larges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3 Effets statistiques des lois larges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.1 Lois larges et th´eor`eme central limite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.2 Vieillissement statistique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3.3 Intensit´e ´emise par un ensemble de nanocristaux . . . . . . . . . . . . 38
3.3.4 Non ergodicit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
i
3.4 Origine physique du clignotement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4.1 Nature de l’´etat allum´e et de l’´etat ´eteint . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4.2 Ionisation (passage On Off) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
→
3.4.3 Neutralisation (passage Off On) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
→
3.4.4 Signification physique de la statistique du clignotement . . . . . . . . 51
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4 Mesure de l’orientation d’un nanocristal 61
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2 Mesures d’orientation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.3 Diagrammes de rayonnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3.1 Dipoˆles lin´eaires, dipoˆles d´eg´en´er´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3.2 Diagramme de rayonnement d’un dipoˆle unique . . . . . . . . . . . . . 66
4.4 Microscopie d´efocalis´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.4.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.4.2 Mise en oeuvre exp´erimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.4.3 Calcul diffractif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.4.4 Mesures d’orientation par la m´ethode g´eom´etrique . . . . . . . . . . . 74
4.5 Mesures d’orientation en milieu biologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.5.2 Etude exp´erimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5 Modification d’´emission spontan´ee
et mesure du rendement quantique d’un nanocristal individuel 83
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.2 Diagramme de rayonnement d’un nanocristal proche d’une interface di´electrique 84
5.2.1 Etude th´eorique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.2.2 Analyse physique des r´esultats th´eoriques . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.2.3 Etude exp´erimentale (1/2) : redistribution du rayonnement . . . . . . 91
5.2.4 Etude exp´erimentale (2/2) : effets d’interf´erences . . . . . . . . . . . . 94
5.2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.3 Modification control´ee du taux de recombinaison radiatif d’un nanocristal . . 97
5.3.1 Recombinaisonradiatived’un´emetteurproched’uneinterfacedi´electrique 97
5.3.2 Controˆle de la modification de dur´ee de vie radiative . . . . . . . . . . 102
5.4 Mesures de rendement quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.4.1 Rendement quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.4.2 Mesure du rendement quantique d’un ´emetteur individuel . . . . . . . 105
5.4.3 Comparaison avec la m´ethode standard . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.4.4 Recombinaison de l’´etat excit´e d’un nanocristal . . . . . . . . . . . . . 111
5.5 Conclusion et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6 Les nanocristaux comme sources de photons individuels 119
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.2 Comment ´emettre des photons un a` un? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.2.1 Flux de Poisson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.2.2 Fluorescence d’une transition unique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.3 Fonction d’autocorr´elation d’intensit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.3.1 D´efinition, propri´et´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.3.2 Groupement, d´egroupement de photons . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.3.3 Fluorescence d’une transition unique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.3.4 Rendement quantique, transitions multiples, bruit, clignotement . . . 126
6.4 D´egroupement sous excitation continue. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.4.1 Dispositif exp´erimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.4.2 D´egroupement de photons d’un nanocristal sous excitation continue . 132
6.4.3 Le nanocristal : un syst`eme a` deux niveaux? . . . . . . . . . . . . . . 133
6.4.4 Effet Auger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.5 D´egroupement sous excitation impulsionelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6.5.1 Fonction d’autocorr´elation en r´egime impulsionel . . . . . . . . . . . . 136
6.5.2 Excitation impulsionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.5.3 Dispositif exp´erimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
7 Conclusion g´en´erale et perspectives 147
7.1 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
7.2 Quelques perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149