Développement de quantum dots avec haute stabilité thermique pour l'infrarouge // Development of SWIR Quantum Dot Materials with High Thermal Stability

L'imagerie dans l'infrarouge est incontournable pour de nombreux domaines tels que la mobilité autonome, l'amélioration de la vision nocturne, la réalité augmentée, la reconnaissance faciale, l'agriculture (détection de maladies, optimisation de traitements…) et le contrôle de la pollution de l'eau, pour n'en citer que quelques-uns. Le déploiement à grande échelle des caméras infrarouges est toutefois entravé par des coûts de fabrication élevés. Traditionnellement, les couches de semi-conducteurs III-V à faible bande interdite sont utilisées pour créer des réseaux de capteurs infrarouges à ondes courtes (SWIR). Dans ce projet, nous visons à remplacer les matériaux épitaxiés par des boîtes quantiques (QD) colloïdaux de semi-conducteurs III-V (InAs, InSb). Outre l'avantage d'une production peu coûteuse et évolutive inhérente à la synthèse colloïdale, les QDs III-V présentent plusieurs caractéristiques attrayantes pour l'imagerie SWIR, telles qu'un coefficient d'absorption élevé, un seuil d'absorption ajustable en fonction de la taille et la possibilité d'être traités en solution. En raison de la bande interdite étroite de l'InAs et de l'InSb, il est possible de couvrir une large gamme spectrale dans la région SWIR d'environ 1 µm à 2 µm. Néanmoins, malgré des progrès considérables dans la synthèse chimique de ces types de matériaux QD, plusieurs défis restent à relever avant leur application industrielle en optoélectronique. En particulier, leur chimie de surface doit être optimisée pour obtenir une passivation efficace des défauts électroniques et pour améliorer leur stabilité sous des contraintes externes telles que l'irradiation et les températures élevées.
Ce projet de doctorat utilisera une approche par étapes pour développer des QDs InAs et InSb avec un seuil d'absorption contrôlé avec précision, une faible distribution de taille et une passivation de surface optimisée permettant des performances stables lorsqu'ils sont intégrés dans des imageurs fonctionnant à des températures élevées allant jusqu'à 150°C.
Dans un premier temps, la synthèse colloïdale des QDs InAs, InSb et de l'alliage In(As,Sb) sera optimisée pour couvrir la gamme de longueurs d'onde cible de 1 à 2 µm et obtenir des distributions de tailles étroites <10%. La méthode qui sera employée pour conférer une meilleure stabilité thermique aux films de QDs à l'état solide pour les dispositifs sera le traitement de surface. L'une des méthodes à explorer consiste à faire croître une ou plusieurs coquilles de matériau semi-conducteur approprié sur les QDs cœur. La deuxième méthode consistera à développer de nouveaux ligands et à les mettre en œuvre en solution et/ou à l'état solide, seuls ou combinés à la croissance de coques. La spectroscopie de photoluminescence est une technique appropriée pour contrôler la croissance réussie des coquilles et sera complétée par d'autres études optiques et structurelles. La stabilité des propriétés optiques sous irradiation et stress thermique sera évaluée en fonction de la nature et de l'épaisseur du semi-conducteur et/ou des enveloppes moléculaires et les meilleurs candidats seront utilisés pour l'intégration dans des photodiodes. L'échange de ligands de surface avec des molécules appropriées peut être utilisé et la préparation de films minces de QD sur des couches de transport de charge appropriées sera développée. Les performances et la stabilité du dispositif seront contrôlées et une optimisation supplémentaire de la structure cœur/coquille sera mise en œuvre sur la base de ces résultats.
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Imaging in the infrared wavelength is a crucial requirement for many areas such as autonomous mobility, improved night vision, augmented reality, facial recognition, smart farming, and control of water pollution, to name just a few. Extensive deployment of infrared cameras is however prevented by high manufacturing costs. Traditionally, low energy band gap III-V semiconductor layers are used to create shortwave infrared (SWIR) sensor arrays. In this project, we target to replace epitaxially grown materials with colloidal quantum dots (QDs) of III-V semiconductors (InAs, InSb). In addition to the advantage of low-cost and scalable production inherent to colloidal synthesis, III-V QDs have several appealing features for SWIR imaging, such as a high absorption coefficient, size-tunable absorption onset, and solution processability. Due to the narrow band gap of InAs and InSb, it is possible to cover a large spectral range in the SWIR region from around 1 µm to 2 µm. Nonetheless, despite considerable progress in the chemical synthesis of these types of QD materials, several challenges remain to be addressed before their industrial application in optoelectronics. In particular, their surface chemistry needs to be optimized to achieve efficient passivation of electronic defects and to enhance their stability under external stress such as irradiation and elevated temperature.
This PhD project will employ a stepwise approach to develop InAs and InSb QDs of precisely controlled absorption onset, low size distribution and optimised surface passivation enabling stable performance when integrated into imagers working at elevated temperatures up to 150°C.
In the first stage, the colloidal synthesis of InAs, InSb and In(As,Sb) alloy QDs will be optimized to be able to cover the target wavelength range of 1 – 2 µm and obtain narrow size distributions <10%. The method that will be employed to impart thermal stability of solid-state QD films for devices will be the use of surface passivation. One method to be explored is by growing one or more shells of appropriate semiconductor material on the core QDs. The second method will be novel ligand development and implementation in solution and/or the solid-state on its own and combined with shell growth. Photoluminescence spectroscopy is a suitable technique to monitor successful shell growth and will be complemented with other optical and structural studies. The stability of the optical properties under irradiation and thermal stress will be assessed as a function of the nature and thickness of the semiconductor and/or molecular shells and the best candidates will be used for integration in photodiodes. Surface ligand exchange with suitable molecules may be employed and the preparation of QD thin films on appropriate charge transport layers will be developed. The device performance and stability will be monitored and further optimization of the core/shell structure will be implemented based on these results.
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Début de la thèse : 01/10/2025
WEB : https://www.g-qdlab.com

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour contrat doctoral

Université Grenoble Alpes

218 CSV- Chimie et Sciences du Vivant

Master 2 en chimie organique, inorganque ou chimie des matériaux avec expérience en laboratoire et faciilté de travailler dans une équipe interdisciplinaire.
Master 2 in organic chemistry, inorganic chemistry, or materials chemistry with significant experimentation and lab work as well as the ability and will to work in an interdisciplinary research team.