Ingénierie à l’échelle nanométrique d’hétérostructures à base de semiconducteurs pour l’optique non-linéaire quadratique et l’imagerie multiphotonique, Nanoscale engineering of semiconductor heterostructures for quadratic nonlinear optics and multiphoton imaging

Marcin Zieliński

Description

Sous la direction de Dominique Chauvat, Joseph Zyss
Thèse soutenue le 09 février 2011: École normale supérieure de Cachan
Les phénomènes de diffusion cohérente non-linéaire ont été récemment proposés en alternatives à la fluorescence comme processus de marquage en microscopie multiphotonique. Les matériaux couramment appliqués dans ce contexte buttent toutefois sur une limite inférieure en taille déterminée par le seuil de détection de signaux faibles en optique non-linéaire. Aucun des efforts récents en détection en génération de second-harmonique (GSH), qui est le processus non-linéaire d’ordre le plus bas, n’a permis de descendre à ce jour au-dessous d’une barrière en taille de 40nm même en ayant recours aux techniques de détection les plus sensibles telles que le comptage de photons uniques. Les nanoparticules (NPs) restent ainsi dans la famille des nano-diffuseurs de “grande“ taille. Il apparaît toutefois possible de déplacer de façon significative cette limite inférieure vers les plus petites tailles en substituant aux isolants diélectriques ou aux semi-conducteurs à grands gaps des particules quantiques (PQs) à base de semi-conducteurs à gaps directs.Dans ce travail, un nouveau type de nanosondes hautement non-linéaires a été conçu et développé de façon à franchir cette barrière de taille minimale pour atteindre l’échelle de nanoparticules uniques. Nous considérons ainsi l’excitation résonnante à deux photons de nanoparticules quantiques individuelles à base de CdTe (de la famille des “zinc-blendes”) d’un diamètre d’environ 12.5nm, qui fournissent une émission cohérente efficace par GSH jusqu’à hauteur de 105 comptages de photons par seconde. Elles présentent de plus l’avantage d’une remarquable sensibilité à l’orientation de leur réseau cristallin octupolaire.De plus, il a été démontré que les effets de confinement quantique déterminent fortement les caractéristiques de la susceptibilité non-linéaire du second-ordre χ(2). La caractérisation quantitative du χ(2) des PQs, en particulier leur dispersion spectrale et leur dépendance en taille est menée par spectroscopie de particules uniques ainsi qu’en moyenne d’ensemble par diffusion Hyper-Rayleigh (HRS). Nous fournissons en particulier la preuve que sous certaines conditions, le χ(2) de structures à base de semi-conducteurs en mode de confinement quantique peut très largement dépasser sa valeur en milieu massif. De plus, un nouveau type de PQs hybridant des semi-conducteurs en géométries de type “bâtonnet sur sphère” (BS) a été développé sur la base de composantes cristallines de symétries différentes, afin d’augmenter leur non-linéarité quadratique effective, tout en maintenant leur taille dans un régime proche d’un fort confinement quantique. Le nouveau tenseur hybride complexe χ(2) est analysé en terme d’interférence des susceptibilités constitutives, en prenant en compte les différentes formes et symétries associées aux composantes octupolaires et dipolaires.Il en résulte pour de telles structures une exaltation significative du χ(2), qui excède celle des PQs à constituant unique compte tenu du couplage entre matériaux non-linéaires et d’un temps de décohérence plus long, que nous attribuons à un effet de separation de charge photo-induit.
-Génération de second harmonique
Nonlinear coherent scattering phenomena from single nanoparticles have been recently proposed as alternative processes for fluorescence in multiphoton microscopy staining. Commonly applied nanoscale materials, however, have reached a certain limit in size dependent detection efficiency of weak nonlinear optical signals. None of the recent efforts in detection of second-harmonic generation (SHG), the lowest order nonlinear process, have been able to cross a ~40 nm size barrier for nanoparticles (NPs), thus remaining at the level of “large” nanoscatterers, even when resorting to the most sensitive detection techniques such as single-photon counting technology. As we realize now, this size limitation can be significantly lowered when replacing dielectric insulators or wide gap semiconductors by direct-gap semiconducting quantum dots (QDs). Herein, a new type of highly nonlinear nanoprobes is engineered in order to surpass above mentioned size barrier at the single nanoparticle scale. We consider two-photon resonant excitation in individual zinc-blende CdTe QDs of about 12.5 nm diameter, which provide efficient coherent SHG radiation, as high as 105 Hz, furthermore exhibiting remarkable sensitivity to spatial orientation of their octupolar crystalline lattice. Moreover, quantum confinement effects have been found to strongly contribute to the second-order nonlinear optical susceptibility χ(2) features. Quantitative characterization of the χ(2) of QDs by way of their spectral dispersion and size dependence is therefore undertaken by single particle spectroscopy and ensemble Hyper-Rayleigh Scattering (HRS) studies. We prove that under appropriate conditions, χ(2) of quantum confined semiconducting structures can significantly exceed that of bulk. Furthermore, a novel type of semiconducting hybrid rod-on-dot (RD) QDs is developed by building up on crystalline moieties of different symmetries, in order to increase their effective quadratic nonlinearity while maintaining their size close to a strong quantum confinement regime. The new complex hybrid χ(2) tensor is analyzed by interfering the susceptibilities from each component, considering different shape and point group symmetries associated to octupolar and dipolar crystalline structures. Significant SHG enhancement is consequently observed, exceeding that of mono-compound QDs, due to a coupling between two nonlinear materials and slower decoherence, which we attribute to the induced spatial charge separation upon photoexcitation.
-Multiphoton microscopy
-Second-harmonic generation
-Nonlinear polarimetry
-Semiconducting quantum dots
-Quantum confinement
-Hybrid heterostructures
Source: http://www.theses.fr/2011DENS0005/document

Sujets

• Génération de seconde harmonique

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 20
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 25 Mo

Extrait

Ecole Normale Supérieure de Cachan
Laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire


THÈSE DE DOCTORAT

Spécialité: Sciences Physiques et Chimiques

par


MARCIN ZIELI ŃSKI

pour obtenir le grade de Docteur de L’Ecole Normale Supérieure de Cachan

Le 9 Février 2011


NANOSCALE ENGINEERING OF SEMICONDUCTOR
HETEROSTRUCTURES FOR QUADRATIC NONLINEAR
OPTICS AND MULTIPHOTON IMAGING








Composition du jury:

M. BENOIT BOULANGER Président du jury
M. HERVÉ RIGNEAULT Rapporteur
M. LIBERATO MANNA rteur
M. DAN ORON Examinateur
M. DOMINIQUE CHAUVAT Codirecteur de thèse
M. JOSEPH ZYSS Directeur de these



Institut d’Alembert (IDA)
NaBi CNRS-Weizmann Institute European Associated Laboratory (LEA)
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To Dominique,
who has delivered the light and instilled my passion






















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iv






























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Résumé en français



Les phénomènes de diffusion cohérente non-linéaire ont été récemment proposés en
alternatives à la fluorescence comme processus de marquage en microscopie
multiphotonique. Les matériaux couramment appliqués dans ce contexte buttent toutefois sur
une limite inférieure en taille déterminée par le seuil de détection de signaux faibles en
optique non-linéaire. Aucun des efforts récents en détection en génération de second-
harmonique (GSH), qui est le processus non-linéaire d’ordre le plus bas, n’a permis de
descendre à ce jour au-dessous d’une barrière en taille de 40 nm même en ayant recours aux
techniques de détection les plus sensibles telles que le comptage de photons uniques. Les
nanoparticules (NPs) restent ainsi dans la famille des nano-diffuseurs de “grande” taille.
Il apparaît toutefois possible de déplacer de façon significative cette limite inférieure vers les
plus petites tailles en substituant aux isolants diélectriques ou aux semi-conducteurs à grands
gaps des particules quantiques (PQs) à base de semi-conducteurs à gaps directs.
Dans ce travail, un nouveau type de nanosondes hautement non-linéaires a été conçu et
développé de façon à franchir cette barrière de taille minimale pour atteindre l’échelle de
nanoparticules uniques. Nous considérons ainsi l’excitation résonnante à deux photons de
nanoparticules quantiques individuelles à base de CdTe (de la famille des “zinc-blendes”)
d’un diamètre d’environ 12.5nm, qui fournissent une émission cohérente efficace par GSH
5jusqu’à hauteur de 10 comptages de photons par seconde. Elles présentent de plus l’avantage
d’une remarquable sensibilité à l’orientation de leur réseau cristallin octupolaire.
De plus, il a été démontré que les effets de confinement quantique déterminent fortement
(2)les caractéristiques de la susceptibilité non-linéaire du second-ordre χ . La caractérisation
(2)quantitative du χ des PQs, en particulier leur dispersion spectrale et leur dépendance en
taille est menée par spectroscopie de particules uniques ainsi qu’en moyenne d’ensemble par
diffusion Hyper-Rayleigh (HRS). Nous fournissons en particulier la preuve que sous certaines
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(2)conditions, le χ de structures à base de semi-conducteurs en mode de confinement
quantique peut très largement dépasser sa valeur en milieu massif. De plus, un nouveau type
de PQs hybridant des semi-conducteurs en géométries de type “bâtonnet sur sphère” (BS) a
été développé sur la base de composantes cristallines de symétries différentes, afin
d’augmenter leur non-linéarité quadratique effective, tout en maintenant leur taille dans un
(2)régime proche d’un fort confinement quantique. Le nouveau tenseur hybride complexe χ est
analysé en terme d’interférence des susceptibilités constitutives, en prenant en compte les
différentes formes et symétries associées aux composantes octupolaires et dipolaires. Il en
(2)résulte pour de telles structures une exaltation significative du χ , qui excède celle des PQs à
constituant unique compte tenu du couplage entre matériaux non-linéaires et d’un temps de
décohérence plus long, que nous attribuons à un effet de separation de charge photo-induit.


Mots-clés: microscopie multiphotonique, la génération de seconde harmonique,
polarimétrie non linéaire, particules quantiques semi-conducteurs, confinement quantique,
hétérostructures hybrides.











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Abstract



Nonlinear coherent scattering phenomena from single nanoparticles have been recently
proposed as alternative processes for fluorescence in multiphoton microscopy staining.
Commonly applied nanoscale materials, however, have reached a certain limit in size
dependent detection efficiency of weak nonlinear optical signals. None of the recent efforts in
detection of second-harmonic generation (SHG), the lowest order nonlinear process, have
been able to cross a ~40 nm size barrier for nanoparticles (NPs), thus remaining at the level of
“large” nanoscatterers, even when resorting to the most sensitive detection techniques such as
single-photon counting technology. As we realize now, this size limitation can be
significantly lowered when replacing dielectric insulators or wide gap semiconductors by
direct-gap semiconducting quantum dots (QDs).
Herein, a new type of highly nonlinear nanoprobes is engineered in order to surpass above
mentioned size barrier at the single nanoparticle scale. We consider two-photon resonant
excitation in individual zinc-blende CdTe QDs of about 12.5 nm diameter, which provide
5 efficient coherent SHG radiation, as high as 10 Hz, furthermore exhibiting remarkable
sensitivity to spatial orientation of their octupolar crystalline lattice. Moreover, quantum
confinement effects have been found to strongly contribute to the second-order nonlinear
(2) (2)optical susceptibility χ features. Quantitative characterization of the χ of QDs by way of
their spectral dispersion and size dependence is therefore undertaken by single particle
spectroscopy and ensemble Hyper-Rayleigh Scattering (HRS) studies. We prove that under
(2)appropriate conditions, χ of quantum confined semiconducting structures can significantly
exceed that of bulk.
Furthermore, a novel type of semiconducting hybrid rod-on-dot (RD) QDs is developed by
building up on crystalline moieties of different symmetries, in order to increase their effective
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quadratic nonlinearity while maintaining their size close to a strong quantum confinement
(2)regime. The new complex hybrid χ tensor is analyzed by interfering the susceptibilities
from each component, considering different shape and point group symmetries associated to
octupolar and dipolar crystalline structures. Significant SHG enhancement is consequently
observed, exceeding that of mono-compound QDs, due to a coupling between two nonlinear
materials and slower decoherence, which we attribute to the induced spatial charge separation
upon photoexcitation.


Keywords: multiphoton microscopy, second-harmonic generation, nonlinear polarimetry,
semiconducting quantum dots, quantum confinement, hybrid heterostructures.



















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