Résumé :

La miniaturisation continue des composants électroniques a atteint un seuil au-delà duquel les effets quantiques deviendront prépondérants. Plutôt que de vouloir supprimer ces effets, il peut être intéressant de les mettre à profit. Mais ce changement de perspective nécessite d’avoir une compréhension plus fine des propriétés électroniques de nanostructures semi-conductrices considérées comme de potentiels éléments actifs dans des dispositifs futurs. Au cours de cette thèse, deux types de structures dont la géométrie s’apparente plus ou moins à un système uni-dimensionnel ont été considérés: des nanofils semi-conducteurs III-V fabriqués par croissance épitaxiale en ultravide et des nanoplatelets semi-conducteurs II-VI synthétisés chimiquement. Dans le premier cas, l’épitaxie par jets moléculaires sélective de nanofils planaires composés d’InGaAs permet d’élaborer des nano-cristaux localisés précisément à la surface d’un substrat d’InP grâce à l’utilisation d’un masque diélectrique. L’analyse de la morphologie de ces nanofils par microscopie à champ proche a révélé une anisotropie de forme en fonction de l’orientation des nanofils. En modélisant la cinétique de croissance, nous avons montré que cette variation de forme s’explique par une différence de diffusion des adatomes liée à la reconstruction (2×4) de la surface (001) des nanofils. Les propriétés de transport dans ces hétérostructures uni-dimensionelles In0.53Ga0.46As/InP ont ensuite été caractérisées par microscopie à effet tunnel à pointes multiples. Deux approches expérimentales basées l’une sur la spectroscopie tunnel à deux contacts, l’autre sur des mesures à quatre pointes en contact ont été conçues pour remonter à la mesure des discontinuités de bande entre le substrat d’InP et les nanofils d’InGaAs. L’obtention des discontinuités de bande est directe et ne requiert ni fabrication d’électrodes, ni modélisation des caractéristiques I(V), contrairement aux techniques électriques conventionnelles. Dans un second temps, nous avons considéré des nanoplaquettes de CdSe, qui s’apparentent à des puits quantiques colloïdaux d’épaisseur limitée à quelques plans atomiques pour des dimensions latérales comprises entre plusieurs nanomètres et quelques dizaines de nanomètres. Bien que les propriétés excitoniques des nanoplaquettes aient fait l’objet de nombreuses études, le rôle du confinement quantique latérale sur la localisation des porteurs de charge est encore mal connu. En utilisant la microscopie à effet tunnel, nous avons caractérisé des nanoplaquettes individuelles et des nanoplaquettes assemblées en paquet pour déterminer la densité d’états en bande de conduction. Les mesures spectroscopiques montrent l’existence, d’une part, de singularités superposées à une oscillation de la densité d’états, en bon accord avec la densité d’états calculée par la méthode des liaisons fortes et, d’autre part, la présence de piège sur les parois latérales des plaquettes. Contrairement à l’exciton dont le confinement est plus important, la délocalisation de l’électron est fortement influencée par le confinement latéral et la présence de piège. A cet effet, des travaux préliminaires par spectroscopie optique de nanoplaquettes coeur-coquille permet d’entrevoir l’intérêt d’une couronne pour mieux contrôler le confinement des porteurs de charge dans ces objets.

Abstract :

The continuous miniaturization of electronic components has reached a threshold beyond which quantum effects will become preponderant. Rather than trying to suppress these effects, it may be interesting to take advantage of them. But this change of perspective requires a more detailed understanding of the electronic properties of semiconductor nanostructures considered as potential active elements in future devices. During this thesis, two types of structures whose geometry is more or less similar to a one-dimensional system have been considered: III-V semiconductor nanowires fabricated by epitaxial growth in ultra-high vacuum and chemically synthesized II-VI semiconductor nanoplatelets. In the first case, selective molecular beam epitaxy of planar nanowires composed of InGaAs allows to grow precisely localized nanocrystals on the surface of an InP substrate through the use of a dielectric mask. The analysis of the morphology of these nanowires by near-field microscopy revealed a shape anisotropy depending on the orientation of the nanowires. By modeling the growth kinetics, we showed that this shape variation is explained by a difference in adatom diffusion related to the (2×4) reconstruction of the (001) nanowire surface. The transport properties in these one-dimensional In0.53Ga0.46As/InP heterostructures were then characterized by multipoint scanning tunneling microscopy. Two experimental approaches based on two-contact tunneling spectroscopy and four-point contact measurements were designed to trace the band discontinuities between the InP substrate and the InGaAs nanowires. Obtaining the band discontinuities is direct and does not require either electrode fabrication or modeling of I(V) characteristics, unlike conventional electrical techniques. In a second step, we considered CdSe nanoplatelets, which are similar to colloidal quantum wells with thickness limited to a few atomic planes for lateral dimensions ranging from several nanometers to a few tens of nanometers. Although the excitonic properties of nanoplatelets have been extensively studied, the role of lateral quantum confinement on charge carrier localization is still poorly understood. Using scanning tunneling microscopy, we have characterized individual nanoplatelets and nanoplatelets assembled in a bundle to determine the density of states in the conduction band. The spectroscopic measurements show the existence of singularities superimposed on an oscillation of the density of states, in good agreement with the density of states calculated by the strong bond method, and the presence of traps on the sidewalls of the platelets. Contrary to the exciton whose confinement is more important, the electron delocalization is strongly influenced by the lateral confinement and the presence of traps. To this end, preliminary work by optical spectroscopy of core-shell nanoplatelets allows to foresee the interest of a corona to better control the confinement of charge carriers in these objects.