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Thi Phuc Tan Nguyen

Une étude théorique des effets de corrélation à N-électron dans nanocristaux semi-conducteurs : application aux propriétiés optoélectroniques des nanocristaux de matériaux pérovskites

Publié le 3 juillet 2020
Thèse soutenue le 03 juillet 2020 pour obtenir le grade de docteur de la Communauté Université Grenoble Alpes - Spécialité : Physique des matériaux

Résumé :
Jusqu’à récemment, les études ont été consacrées principalement aux semi-conducteurs de groupes II-VI et III-V, comme GaAs ou CdSe. Efros et al. et Ekimov et al. ont pour cela développé le modèle « noninteracting single-particle » via la méthode k · p. Plus tard, l'interaction de Coulomb a été incluse avec les fonctions d'onde non-interactives. Pour les matériaux à base de perovskites, les structures de bandes ont été traitées par le théorie de la fonctionnelle de la densite (DFT). Becker et al. ont examiné le cas de l'exciton, une paire électron-trou corrélée. Longtemps, les travaux théoriques ont négligé les systèmes multi-excitoniques. Or, grâce à une puissance d'excitation croissante les mesures expérimentales ont permis d’obtenir plus d'une paire électron-trou. L'émission de trions et biexcitons a été observée, révélant une énergie de liaison quantifiable de lumière. Seule la prise en compte des corrélations N-corps, c'est-à-dire de l'interaction entre les charges (les électrons et les trous) permet de prédire correctement ces énergies de liaison. La durée de vie de l'exciton dans son état fondamental est sub-nanoseconde pour les perovskites et beaucoup plus courte que celle de CdSe ou d’halogénures métalliques.
L’émission rapide est peut-être responsable de la forte luminosité de nanocristaux de perovskites. Les sections efficaces d'absorption expérimentales sont aussi plus fortes que celles d'autres semi-conducteurs de même taille. Pour cette raison, les perovskites sont des matériaux prometteurs pour les cellules solaires.
Dans cette thèse, nous avons construit une méthode théoretique adaptée a l'étude de systèmes excitoniques avec Ne électrons et Nh trous confinés dans un nanocristal sphérique.
Au Chapitre 2, après avoir rappelé les principes des calculs de structure de bandes, nous présentons le Hamiltonien k · p pour modéliser l'énergie cinétique du semi-conducteur. En imposant la symétrie sphérique pour la structure de bandes et aussi le potentiel du confinement, le temps de calcul est réduit par environ 10000 fois. Si on permet au paramètre de Kane d'être nul, le modèle k · p devient l'approximation parabolique de masse effective.
Pour traiter l'interaction de Coulomb, nous nous plaçons dans l'approximation Hartree-Fock introduite dans le chapitre 3. Nous évaluons alors les énergies de l'exciton pour plusieurs tailles de nanocristaux.
Le chapitre 4 est consacré à la présentation de la théorie des perturbations à N-corps à partir de l’espace modèle Hartree-Fock. Nous calculons le « redshift » du biexciton et celui du trion au deuxième ordre des perturbations à N-corps. Cependant, il est nécessaire d’inclure tous les ordres pour obtenir des prédictions quantitatives. Au bout de ce chapitre, nous présentons la méthode de théorie à N-corps « dégénérée » pour calculer la différence énergétique entre les « dark » et « bright » excitons.
Dans le chapitre 5, on examine l'interaction entre un électron et un photon (processus à un photon). Le taux de recombinaison radiative d'un exciton dans son état fondamental et la section efficace d’absorption sont très mal décrits au niveau de l’approximation Hartree-Fock. La prise en compte de la corrélation électron-trou, ou autrement dit l’interaction dans l’état final, est essentielle pour obtenir un bon accord de la théorie avec les mesures expérimentales. Cet approche complexe à N-corps, qui couple tous les états excités de l’exciton à tous les ordres de corrélation, pour construire le spectre d'absorption, devrait être plus rigoureuse que la méthode se fondant sur un principe variationnel..

Jury :
Président : M. Alexandre Simionovici
Rapporteur : M. Christophe Delerue
Rapporteur : M. Laurent Pedesseau
Examinateur : M. Siew Ann Cheong
Thèse dirigée par Steven Blundell (CEA-UGA)
codirigée par Tze Chien Sum (NTU)
co-encadrée par Claude Guet (NTU)

Mots clés :
Pérovskite, Nanocristaux, Corrélation, Semi-Conducteurs, Optoélectronique

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