L’optique non linéaire et ses matériaux
Les nanocristaux semi-conducteurs ou boîtes quantiques
D. Ricard‘
Laboratoire d’Optique Quantique, École Polytechnique, 91 128 Palaiseau cedex,
France
Résumé : Nous discutons ici des propriétés optiques linéaires et non linéaires de colloïdes ou de
verres contenant des nanocristaux semi-conducteurs, l’exemple choisi étant CdSe. Le confinement des
porteurs conduit à un spectre de raies élargies surtout par la grande dispersion de taille des nanocristaux. La non-linéarité qui intéresse les applications est l’effet Kerr statique ou optique. Dans ce dernier cas, il faut distinguer le régime résonant où l’effet dominant est un effet de population et le régime non résonant où le déplacement radiatif est à l’origine de l’indice non linéaire. L’absorption à
deux photons est également considérée.
1. INTRODUCTION
Bien que les colloïdes métalliques par exemple soient connus depuis fort longtemps, l’étude
systématique des systèmes mésoscopiques a commencé il y a une vingtaine d’années. Dans
ces systèmes, de taille intermédiaire entre le microscopique et le macroscopique, le mouvement des porteurs, électrons ou trous, est limité par des barrières de potentiel. I1 en résulte une
quantification de l’énergie cinétique selon le schéma bien connu du puits de potentiel. Ce
genre d’étude a d’abord porté sur les puits quantiques formés d’un matériau semi-conducteur
de bande interdite plus faible et d’épaisseur de quelques nanomètres pris en sandwich entre
deux << barrières >> formées d’un autre matériau semi-conducteur de bande interdite plus
grande. L’exemple le plus classique est formé à partir du couple GaAs/AI,Gai-,As. Ces puits
quantiques possèdent des propriétés remarquables telles que la présence de pics excitoniques
même à température ambiante. Cela leur confère des propriétés optiques non linéaires très
intéressantes.
Dans un puits quantique, le mouvement des porteurs est confiné dans une dimension mais
reste libre dans les deux autres dimensions. C’est pourquoi on les appelle parfois des matériaux quasi 2D. Étant données les propriétés de ces matériaux quasi 2D, on s’est demandé ce
qu’il en serait des fils quantiques avec confinement dans deux dimensions, matériaux quasi
lD, ou des points ou boîtes quantiques, matériaux quasi OD. Pour des raisons technologiques
de fabrication, les boîtes quantiques, qui sont donc de petits cristaux métalliques ou semiconducteurs, ont été étudiées en premier. I1 est en effet facile de préparer des colloïdes d’or ou
d’argent par réaction chimique en milieu aqueux et les verres contenant des nanoparticules de
’ Nouvelle adresse : Laboratoire Aimé Cotton, UPR 3321 du CNRS, Centre Scientifique d’Orsay, bâtiment 505,
91405 Orsay cedex, France.
Les nanocristaux semi-conducteurs ou boîtes quantiques
D. Ricard‘
Laboratoire d’Optique Quantique, École Polytechnique, 91 128 Palaiseau cedex,
France
Résumé : Nous discutons ici des propriétés optiques linéaires et non linéaires de colloïdes ou de
verres contenant des nanocristaux semi-conducteurs, l’exemple choisi étant CdSe. Le confinement des
porteurs conduit à un spectre de raies élargies surtout par la grande dispersion de taille des nanocristaux. La non-linéarité qui intéresse les applications est l’effet Kerr statique ou optique. Dans ce dernier cas, il faut distinguer le régime résonant où l’effet dominant est un effet de population et le régime non résonant où le déplacement radiatif est à l’origine de l’indice non linéaire. L’absorption à
deux photons est également considérée.
1. INTRODUCTION
Bien que les colloïdes métalliques par exemple soient connus depuis fort longtemps, l’étude
systématique des systèmes mésoscopiques a commencé il y a une vingtaine d’années. Dans
ces systèmes, de taille intermédiaire entre le microscopique et le macroscopique, le mouvement des porteurs, électrons ou trous, est limité par des barrières de potentiel. I1 en résulte une
quantification de l’énergie cinétique selon le schéma bien connu du puits de potentiel. Ce
genre d’étude a d’abord porté sur les puits quantiques formés d’un matériau semi-conducteur
de bande interdite plus faible et d’épaisseur de quelques nanomètres pris en sandwich entre
deux << barrières >> formées d’un autre matériau semi-conducteur de bande interdite plus
grande. L’exemple le plus classique est formé à partir du couple GaAs/AI,Gai-,As. Ces puits
quantiques possèdent des propriétés remarquables telles que la présence de pics excitoniques
même à température ambiante. Cela leur confère des propriétés optiques non linéaires très
intéressantes.
Dans un puits quantique, le mouvement des porteurs est confiné dans une dimension mais
reste libre dans les deux autres dimensions. C’est pourquoi on les appelle parfois des matériaux quasi 2D. Étant données les propriétés de ces matériaux quasi 2D, on s’est demandé ce
qu’il en serait des fils quantiques avec confinement dans deux dimensions, matériaux quasi
lD, ou des points ou boîtes quantiques, matériaux quasi OD. Pour des raisons technologiques
de fabrication, les boîtes quantiques, qui sont donc de petits cristaux métalliques ou semiconducteurs, ont été étudiées en premier. I1 est en effet facile de préparer des colloïdes d’or ou
d’argent par réaction chimique en milieu aqueux et les verres contenant des nanoparticules de
’ Nouvelle adresse : Laboratoire Aimé Cotton, UPR 3321 du CNRS, Centre Scientifique d’Orsay, bâtiment 505,
91405 Orsay cedex, France.