PhD Position – Émission de lumière ultra-rapide à partir de nanostructures hybrides

Nom du laboratoire: CINaM, www.cinam.univ-mrs.fr

Directeur de thèse: Olivier MARGEAT, olivier.margeat@univ-amu.fr,

Co-directeur de thèse: Beniamino SCIACCA, beniamino.sciacca@univ-amu.fr, 06 60 36 28 22

Titre du sujet:  émission de lumière ultra-rapide à partir de nanostructures hybrides

Description du sujet:

La vitesse des communications optiques est finalement limitée par le temps nécessaire pour convertir une impulsion électrique en impulsion optique. Les diodes électroluminescentes classiques (LED) basées sur une jonction pn, servent à cet effet dans la communication par fibre optique, mais souffrent d’un long délai entre l’injection électrique des charges et l’émission de sortie lumineuse, limitant ainsi la bande passante.

L’ ultra-rapide de conversion d’ énergie électronique en énergie optique à l’échelle nanométrique est, par conséquent, le graal dans le domaine de la communication optique , le traitement des données et de l’ énergie photovoltaïque . [1]. Des efforts dans le développement de sources lumineuses lumineuses, compactes et ultrarapides ont conduit à l’exploration de jonctions métal-isolant-métal (MIM) sous polarisation électrique, où l’électron peut creuser un tunnel entre les deux électrodes et peut perdre de l’énergie en émettant un photon. Ce processus inélastique est ~ 10 ³ -10 ⁶fois plus rapide que l’émission de lumière dans les LED conventionnelles, et peut donc être modulé à des fréquences optiques. L’utilisation de nanoantennes optiques pour améliorer l’émission de lumière a prouvé son efficacité pour augmenter la conversion électron-photon, mais la meilleure efficacité rapportée est encore assez faible (<2%).

Les stratégies de pointe sont limitées par (i) une faible efficacité optique et une faible qualité des matériaux, (ii) une architecture de dispositif inefficace, (iii) des difficultés de fabrication, (iv) un manque d’accordabilité de longueur d’onde.

Il est donc essentiel de conceptualiser et de développer une nouvelle architecture polyvalente , qui permette de caractériser pleinement les contraintes expérimentales qui maintiennent l’efficacité de l’émission lumineuse par effet tunnel électronique inélastique bien en dessous des limites théoriques, et en même temps d’ améliorer l’efficacité et l’ accordabilité , tout en gardant faibles coûts de fabrication . Par conséquent, des approches révolutionnaires sont nécessaires pour mieux comprendre et améliorer ce processus.

L’objectif de ce projet de thèse exploratoire est de concevoir, fabriquer et étudier un nouveau système optoélectronique hybride capable de booster l’émission lumineuse par effet tunnel électronique inélastique, en découplant la partie optique de la partie électronique de l’architecture. Cela sera possible en tirant parti de l’expertise unique et des activités de recherche présentes dans les équipes du Dr O. Margeat et du Dr B. Sciacca [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] du laboratoire CINaM.

L’architecture qui sera étudiée est présentée dans la figure 1 . Ce système optoélectronique hybride est composé d’un réseau accordable de nanoantennes optiques de haute qualité reposant sur une multicouche de matériaux 2D (hétérostructures van der Waals), et sera réalisé par des techniques ascendantes . La longueur d’onde d’émission peut être réglée en induisant des changements mécaniques dans les paramètres du réseau, et l’incorporation de molécules sélectionnées permettra d’augmenter la probabilité de transitions électroniques précises. Ce projet de recherche permettra également d’explorer le potentiel de cette architecture en tant que cellule solaire non conventionnelle , où le semi-conducteur est remplacé par la jonction tunnel.

Le projet se situe à l’interface entre la physique et la chimie , et est donc hautement interdisciplinaire . La synthèse colloïdale [2] et l’assemblage [3] de nanoparticules plasmoniques permettront de contrôler l’efficacité optique du système, tandis que l’utilisation d’un empilement de matériaux 2D [5] permettra de contrôler l’efficacité électronique. L’ environnement scientifique du laboratoire hôte est également assez interdisciplinaire et soutiendra le projet avec des installations et une expertise de pointe en matière de caractérisation . Le projet sera développé dans le cadre d’une collaboration entre le groupe du Dr O. Margeat, le Dr B. Sciacca et le Dr R. Parret [5].

Les implications de ce projet sont à la fois au niveau fondamental – compréhension et étude des phénomènes physiques – mais aussi au niveau appliqué – conception et développement de nouvelles technologies à fort potentiel industriel .

Profil étudiant attendu:

Les étudiants titulaires d’un Master ou Dipl. Ing. diplôme dans le domaine des sciences des matériaux (chimie ou physique ou optique) et très motivé par des recherches interdisciplinaires.

Envoyez CV et lettre de motivation par email à: beniamino.sciacca@univ-amu.fr et olivier.margeat@univ-amu.fr

Bibliographie:

1. M. Parzefall et al. , Lumière des dispositifs de tunnel quantique van der Waals. Nat Commun 10 , (2019).

2. F. Pourcin et al. , Nanocomposites plasmoniques basés sur des mélanges de nanocube d’argent et de polymère affichant une absorption presque parfaite dans la région UV. Langmuir 35 , 2179 (2019).

3. B. Sciacca et al. , Nanopatrons monocristallins fabriqués par assemblage de nanocube et épitaxie. Adv Mater 29 , (2017).

4. SH Gong et al. , Interface chirale vallée-photon à l’échelle nanométrique par couplage optique spin-orbite. Science 359 , 443 (2018).

5. D. Alcaraz Iranzo et al. , Sondage des limites ultimes de confinement du plasmon avec une hétérostructure de van der Waals. Science 360 , 291 (2018).

À propos des conseillers:

O. Margeat mène des recherches multidisciplinaires dans le domaine de la synthèse chimique des nanocristaux métalliques et semi-conducteurs, ainsi que des nanocristaux hybrides organiques-inorganiques, principalement pour leur utilisation en tant que couches interfaciales ou couches actives dans des dispositifs optoélectroniques.

B. Sciacca, le promoteur de ce projet de doctorat, possède une solide expérience en chimie de synthèse, fonctionnalisation de surface, nanophotonique, nanofabrication, dispositifs photovoltaïques à l’échelle nanométrique et dans la caractérisation des propriétés optiques, structurelles, électriques et chimiques des matériaux. Il a une collaboration active avec des groupes de pointe à l’Institut AMOLF (NL), à l’Université de Delft (NL), au centre CUNY (USA), à l’Institut Fresnel (FR).