Contrôle laser de la dynamique électronique de nanocristaux à base de silicium: une étude théorique

Les nanocristaux semi-conducteurs ont un panel d’applications variées :transistors, lasers, cellules photovoltaïques, imagerie biomédicale, calcul quantique, téléviseurs, etc. Du fait de leur petite taille, leurs excitons se retrouvent confinés dans les trois dimensions de l'espace, ce qui provoque la discrétisation de leur spectre d'énergie. Plus leur taille se réduit, plus l'espace entre leurs niveaux d'énergie électronique augmente. Leurs caractéristiques optoélectroniques sont donc dépendantes de leur taille, mais également de leur composition chimique. Il est ainsi possible d'adapter leurs propriétés aux besoins de l'application. Les nanocristaux de silicium présentent un intérêt tout particulier de par leur abondance et leur non toxicité. Ils pourraient ainsi remplacer d'autres nanocristaux composés de matériaux plus toxiques ou plus rares.Dans ce contexte, nous nous concentrons sur une étude théorique de la contrôlabilité par laser des électrons de ces nanocristaux. Nous cherchons à peupler un état triplet "dark" à partir d’états singulets "bright". Ce processus pourrait présenter un intérêt dans la création de qubits à longue durée de vie pour le calcul quantique, dans les transferts d'énergie triplet-triplet pour les processus photochimiques dans les molécules organiques, ou encore dans la lutte contre le photoblanchiment.Puisque les propriétés des nanocristaux dépendent de leur taille, nous avons considéré plusieurs molécules dont le diamètre varie entre 0.6 nm (Si5H12) et 1.7 nm (Si99H100). Nous avons également altéré la composition chimique de ces molécules à l'aide d'atomes de germanium, de bore et de phosphore, afin d'étudier l'impact d'un tel processus sur la contrôlabilité du système. Dans un premier temps, la géométrie des molécules a été optimisée grâce à la méthode DFT et leur structure électronique a été caractérisée par TD-DFT. Nous avons ainsi été en mesure de déterminer les énergies d'excitation des états électroniques, leurs moments dipolaire
Semiconductor nanocrystals have a wide range of applications: transistors, lasers, photovoltaic cells, biomedical imaging, quantum computing, televisions, etc. Due to their small size, their excitons are confined in the three dimensions of space, which causes the discretization of their energy spectrum. As their size shrinks, the space between their electronic energy levels increases. Their optoelectronic characteristics are therefore dependent on their size, but also on their chemical composition. It is thus possible to adapt their properties to the needs of the application. Silicon nanocrystals are of particular interest due to their abundance and their non-toxicity. They could thus replace other nanocrystals composed of more toxic or rare materials.In this context, we focus on a theoretical study of the laser control of the electronic dynamics of these nanocrystals. We aim to populate a "dark" triplet state from a "bright" singlet state. This process could be of interest in the creation of long-lived qubits for quantum computing, in triplet-triplet energy transfers for photochemical processes in organic molecules, or in the fight against photobleaching.ince the properties of nanocrystals depend on their size, we considered several molecules whose diameter varies between 0.6 nm (Si5H12) and 1.7 nm (Si99H100). We also altered the chemical composition of these molecules using germanium, boron and phosphorus atoms, in order to study the impact of such a process on the controllability of the system. First, the geometry of the molecules was optimized using the DFT method and their electronic structure was characterized by TD-DFT. We were thus able to determine the excitation energies of the electronic states, their transition dipole moments and their spin-orbit coupling matrix elements. Then, we used these values ​​to model the relativistic states of the system, on which the laser is applied. Finally, we used the quantum optimal control theory to determine the shape of
Doctorat en Sciences
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