Authors: Rosalie Nzang Mintsa
Source: theses.fr (ABES) (article, 2025-10-08)
Field: Materials Science — Materials Chemistry

Study of phosphorus-hyperdoped germanium nanocrystals for plasmonics applications Les nanocristaux semi-conducteurs dopés suscitent un intérêt croissant en raison de leur potentiel pour des applications plasmoniques dans l'infrarouge moyen, compatibles avec les technologies CMOS. Ce travail explore l'influence du dopage sur les nanocristaux de germanium insérés dans une matrice diélectrique, dans le but d'induire des résonances plasmoniques de surface localisées (RPSL) dans le domaine de l'infrarouge, lorsque ceux-ci sont soumis à un champ électromagnétique incident. Deux systèmes ont été étudiés : les couches minces d'alliage Ge₆₀(SiO₂)₄₀ et les couches minces de GeOₓ:P, préparées par évaporation sous ultravide puis soumis à des traitements thermiques pour former des nanocristaux de germanium dans deux matrices distinctes, GeO₂ et SiO₂. Pour le système Ge₆₀(SiO₂)₄₀, les analyses chimiques par spectroscopie de photoémission des rayons X (XPS) et spectroscopie à dispersion d'énergie des rayons X (EDXS) ont permis de déterminer la composition chimique des échantillons. Les analyses structurales, réalisées par spectroscopie Raman et microscopie électronique en transmission (TEM), ont révélé la présence de germanium amorphe dès l'état non recuit et la formation de nanocristaux de germanium après un recuit à 700 °C. Le phosphore a joué un rôle catalyseur, favorisant la cristallisation et la croissance des grains. La spectroscopie Raman a également mis en évidence la formation du composé GeP dans les échantillons les plus fortement dopés, illustrant la capacité à incorporer le phosphore au-delà du simple dopage. La spectroscopie d'absorption infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) a révélé des bandes caractéristiques des groupements Si-O-P et P-O-P. Cependant, bien que nous ayons réussi introduire de fortes concentrations de phosphore dans les nanocristaux de germanium, aucune signature plasmonique n'a été détectée. Dans le cas du système GeOₓ: P les traitements thermiques ont conduit à la formation de nanocristaux de germanium dans une matrice GeO₂. L'effet catalyseur du phosphore sur la séparation de phase et la cristallisation a été confirmé. La spectroscopie d'absorption infrarouge a permis d'observer les signatures vibrationnelles des groupements Ge-O-P, P-O-P et P=O. Les analyses FTIR ont également révélé des bandes étroites centrées autour de 863 cm⁻¹, caractéristiques des RPSL. La modélisation optique, basée sur la théorie de Mie et le modèle de Drude, a permis d'estimer une densité de porteurs libres de 2,35 × 10¹⁹ cm⁻³ et une mobilité électronique proche de 1000 cm²·V⁻¹·s⁻¹. Ces résultats démontrent la faisabilité d'induire une réponse plasmonique dans des nanostructures semi-conductrices à base de germanium et soulignent l'importance d'un contrôle précis de leur structure. Ce travail ouvre des perspectives pour l'optimisation des matériaux plasmoniques via la synthèse de nanocristaux en architectures multicouches, permettant un meilleur contrôle de la taille des nanocristaux de germanium, l'exploration de dopants alternatifs et l'intégration de méthodes d'activation innovantes. Ces avancées pourraient contribuer au développement de capteurs optiques, de dispositifs pour la spectroscopie infrarouge, de modulateurs photoniques CMOS compatibles et de plateformes SEIRA à haute sélectivité. Germanium ; Semiconductor materials ; Agrégation ; Nanocrystal ; Raman spectroscopy Silicon Nanostructures and Photoluminescence ; Thin-Film Transistor Technologies ; Nanowire Synthesis and Applications