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Nanofils et Nanostructures

Cette thématique de recherche a pour but de synthétiser des nanostructures semi-conductrices telles que les nanofils III-V, d’étudier leurs propriétés physiques et de les intégrer dans des dispositifs. En raison de leur géométrie, ces nano-objets présentent des propriétés physiques remarquables et sont intégrables sur substrat de silicium. Les domaines d’applications des nanostructures étudiées dans cet axe de recherche sont principalement la photonique sur silicium et la conversion d’énergie solaire.

Thèmes de recherche

  • Croissance des Nanofils

A l’INL, nous étudions des mécanismes de croissance des nanofils semiconducteurs élaborés par épitaxie par jets moléculaires à l’aide de la méthode vapeur-liquide-solide. Cette méthode permet de réaliser des hétérostructures axiale ou radiale à base de semiconducteur III-V (GaAs, GaP, InAs, InP) en fonction des applications visées. Afin de finement contrôler la structure et la morphologie de ces nanofils nous avons étudié la physico-chimie d’interface aux premiers stades de la croissance à l’aide de la spectroscopie de photoélectrons [Fouquat 2019]. Ces nanofils présentent le plus souvent deux phases cristallines, dont le contrôle est un enjeux de taille, ces dernières années nous avons développé une stratégie nous permettant de contrôler la nature de la phase cristalline. [Dursap 2020, Dursap 2021]. L’obtention de nanofils GaAs en phase cristalline wurtzite nous permet actuellement d’épitaxier et étudier un matériau particulièrement prometteur : le (Si)Ge en phase hexagonale [Dudko 2021]. Ce semiconducteur a un gap direct variant de 0.35 eV à 0.67 eV en fonction de la composition.

 

Nous développons aussi activement la croissance de nanofils hétérogènes cœur – coquille [Guan 2016 Nscale & Guan 2016 NL]. Ce travail présente à la fois un intérêt fondamental, l’étude d’une interface hétérogène, et un intérêt pratique, la fonctionnalisation du semiconducteur pour modifier ses propriétés (opto-)électroniques.

  • Nanofils pour les technologies quantiques

Les nanofils semiconducteurs III-V sont une géométrie particulièrement intéressante pour intégrer de manière monolithique des sources optiques à la filière silicium. L’objectif central de cette thématique est l’intégration monolithique de sources de photons uniques brillantes dans les longueurs d’onde télécom à la photonique silicium. Pour ce faire, nous étudions plus particulièrement des boîtes quantiques InAs insérées dans des nanofils d’InP élaborés par épitaxie par jets moléculaires à l’aide de la méthode vapeur-liquide-solide [Jaffal 2020]. Les études optiques réalisées portent en particulier sur des mesures de durée de vie, d’intensité d’émission, d’étude de l’état de polarisation des photons émis et de leur diagramme de rayonnement [Jaffal 2019].

  • Nanofils pour les énergies renouvelables

L’objectif de ce thème de recherche est d’utiliser les nanofils III-V pour la conversion de l’énergie solaire. Deux approches sont envisagées : la première consiste à développer des cellules photovoltaïques  [Vettori 2019] notamment via des solutions « tandem » permettant de maximiser le rendement, la seconde s’appuie sur la photoélectrolyse de l’eau pour la génération d’hydrogène vert (Projet ANR Beep). Cette activité s’intéresse aux problématiques de croissance mais aussi au développement de techniques de caractérisation telle que la microscopie en champ proche ou à sonde locale pour étudier les propriétés électroniques à l’échelle d’un nanofil individuel.

 

Animation de la thématique/coordinateur : N. Chauvin et J. Penuelas

 

Participants : R. Bachelet, C. Botella, G. Brémond, N. Chauvin, A. Danescu, H. Dumont, J. Penuelas, P. Regreny, G. Saint-Girons

Thèses en cours :

  1. Dursap (2018-2021) : « Nanofils III-V/oxyde pour la photoélectrolyse de l’eau »
  2. H.-G. Gloriès (2019-2022) : « Hétérostructures à base de nanofils III-V et d’oxydes fonctionnels pour les technologies de l’information »
  3. I. Dudko (2021-2024) : « Hexagonal Silicon and Germanium nanowires for light emission»

 

Thèses terminées (5 dernières années):

  1. Benali (2013-2017) : « Nanofils Ga(Al)As sur silicium pour le photovoltaïque de 3ème génération : simulation et croissance auto-catalysée »
  2. Mavel (2013-2017) : « Nanofils de semiconducteurs III-V épitaxiés sur Si(111) pour la photonique sur silicium »
  3. Becdelièvre (2014-2017) : « Etudes des propriétés électriques et mécaniques de nanofils GaAs : vers une modulation du transport par effet piézoélectrique ou ferroélectrique »
  4. Guan (2014-2017) : «Growth of semiconductor (core) / functional oxide (shell) nanowires : application to photoelectrochemical water splitting »
  5. Vettori (2015-2019) : « Growth optimization and characterization of regular arrays of GaAs/AlGaAs core/shell nanowires for tandem solar cells on silicon »
  6. Jaffal (2016-2019) : « InAs quantum dot in a needlelike tapered InP nanowire: a telecom band single photon source monolithically grown on silicon”

Projets en cours :

– ANR PRC 2017-2023 : HEXSIGE

– ANR PRC 2018-2021 : BEEP

– EMPIR 2020-2023 : SRT-g013 NanoWires

– Labex iMUST 2022-2025 : HexaLight

Projets terminés (5 dernières années) :

– ANR PGER 2015-2019 : HETONAN

Collaborations :

C2N (Univ. Paris-Saclay), IEMN (Univ. Lille), IMEP-LAHC (Grenoble INP), Institut Camille Jordan (Univ. Lyon), LCBM (CEA Grenoble), LOMA (Univ. Bordeaux), LPS (Univ. Paris-Saclay), MATEIS (Univ. Lyon), SPEC (CEA Saclay), Synchrotron Soleil, Société SILSEF.

 

INL CNRS
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