Infrared nanoplasmonic properties of hyperdoped embedded Si nanocrystals in the few electrons regime

Autor: Meiling Zhang, Jean-Marie Poumirol, Nicolas Chery, Clément Majorel, Rémi Demoulin, Etienne Talbot, Hervé Rinnert, Christian Girard, Fuccio Cristiano, Peter R. Wiecha, Teresa Hungria, Vincent Paillard, Arnaud Arbouet, Béatrice Pécassou, Fabrice Gourbilleau, Caroline Bonafos
Přispěvatelé: Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (CEMES), Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Groupe de physique des matériaux (GPM), Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (INSA Rouen Normandie), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche sur les Matériaux Avancés (IRMA), Université de Caen Normandie (UNICAEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Normandie Université (NU)-Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (INSA Rouen Normandie), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Caen Normandie (UNICAEN), Normandie Université (NU)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Jean Lamour (IJL), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Équipe Matériaux et Procédés pour la Nanoélectronique (LAAS-MPN), Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (LAAS), Université Toulouse Capitole (UT Capitole), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse Capitole (UT Capitole), Université de Toulouse (UT), Centre de microcaractérisation Raimond Castaing (Centre Castaing), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Centre de recherche sur les Ions, les MAtériaux et la Photonique (CIMAP - UMR 6252), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche sur les Matériaux Avancés (IRMA), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Nanomatériaux, Ions et Métamatériaux pour la Photonique (NIMPH), ANR-18-CE09-0034,DONNA,Dopage à l'échelle nano(2018), ANR-21-CE30-0042,Ti-P,Plasmons de surfaces non réciproques induit par la topologie(2021)
Rok vydání: 2022
Předmět:
Zdroj: Nanophotonics
Nanophotonics, 2022, 2022, pp.0283. ⟨10.1515/nanoph-2022-0283⟩
ISSN: 2192-8614
Popis: Using localized surface plasmon resonance (LSPR) as an optical probe we demonstrate the presence of free carriers in phosphorus doped silicon nanocrystals (SiNCs) embedded in a silica matrix. In small SiNCs, with radius ranging from 2.6 to 5.5 nm, the infrared spectroscopy study coupled to numerical simulations allows us to determine the number of electrically active phosphorus atoms with a precision of a few atoms. We demonstrate that LSP resonances can be supported with only about 10 free electrons per nanocrystal, confirming theoretical predictions and probing the limit of the collective nature of plasmons. We reveal the appearance of an avoided crossing behavior linked to the hybridization between the localized surface plasmon in the doped nanocrystals and the silica matrix phonon modes. Finally, a careful analysis of the scattering time dependence versus carrier density in the small size regime allows us to detect the appearance of a new scattering process at high dopant concentration, which can be explained by P clustering inside the SiNCs.
Databáze: OpenAIRE
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