Institut des
NanoSciences de Paris
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Nanostructures et optique

Effet du confinement quantique sur les propriétés optiques de nanoparticules de Si en matrice de silice.

B. Gallas, J. Rivory, C. Barthou, L. Siozade, S. Fisson, G. Vuye, K. Chin-Cheng, I. Stenger

L’observation par Canham en 1990 de la luminescence intense dans le visible du Si poreux a été attribuée au confinement des paires électrons-trous dans les nanoparticules qui composent le Si poreux. Depuis de nombreuses études ont été réalisées afin d’expliquer théoriquement et de maîtriser expérimentalement ce phénomène. L’influence du confinement sur les états de plus haute énergie est par contre moins bien compris. En effet, l’évolution de leur position en énergie et de leur densité d’état est plus difficile à mesurer. Les techniques optiques permettent d’accéder à cette information via la détermination de la fonction diélectrique ε= ε1+iε2 qui reflète la densité d’états joints du matériau. Cependant, peu de travaux ont été réalisés et les conclusions qu’on peut en tirer sont limitées suite à l’utilisation de modèles de fonctions diélectriques trop simples. Nous avons décidé de réaliser des échantillons contenant des nanoparticules de Si puis de déterminer leur fonction diélectrique en fonction de leur diamètre sans utiliser de modèle de fonction diélectrique.

Nous avons réalisé des films minces de SiO2 contenant des nanoparticules de Si par évaporation de SiOx (1<x<2) suivi d’un recuit thermique à 1000°C. Ceci conduit à la formation de nanoparticules de Si de taille nanométrique dont le diamètre dépend de la composition initiale, x. Le diamètre moyen des nanoparticules étudiées, mesuré par microscopie électronique en transmission, était de 4, 2.2 et 1 nm.

La fonction diélectrique complexe des nanoparticules a été déterminée longueur d’onde par longueur d’onde à partir de mesures d’ellipsométrie spectroscopique dans la gamme spectrale 1.6-6.2 eV. Pour des nanoparticules de 4.5 nm de diamètre 1 on observe une fonction diélectrique très similaire à celle du Si polycristallin avec, dans la partie imaginaire, la présence des trois structures associées aux points critiques E1, E2 et E’1. Lorsque la taille des nanoparticules diminue, l’amplitude de la structure associée au point critique E1 dans la partie imaginaire de la fonction diélectrique diminue tandis qu’elle augmente vers les positions des structures associées aux points critiques E1 et E’1. Nous avons aussi déterminé le nombre effectif d’électrons participants aux transitions entre 1.6 et 6.2 eV en utilisant les règles de somme. Nous obtenons la même valeur que pour le Si cristallin massif (environ 2.4).

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Figure 1 : Image de microscopie en transmission d’une couche mince de SiO après recuit à 1000°C. Dans l’agrandissement on voit les plans 111 dans les nanoparticules.

Figure 2 : Partie imaginaire de la fonction diélectrique des nanoparticules en fonction de leur taille. La fonction diélectrique du Si polycristallin est aussi présentée pour comparaison..

 

Ceci nous conduit à conclure que l’effet du confinement quantique sur les états électroniques dans les nanoparticules de Si, en ce qui concerne les transitions de haute énergie, est de transférer les forces d’oscillateurs des transitions de basse énergie vers celles de plus haute énergie, sans pour autant les décaler.