Contrôler la polarisation de la lumière dans les diodes électroluminescentes et les lasers à semiconducteurs pour la communication à haut débit
La technique des communications optiques par laser constitue une des solutions envisagées pour accroitre considérablement le débit par rapport aux liaisons radio, grâce à la fréquence élevée du signal et de la divergence réduite du faisceau optique émis par le laser. Le transfert d’information entre les satellites et la Terre pourrait être augmenté de deux ordres de grandeur. Les technologies actuelles reposent sur la modulation de l’intensité lumineuse pour transmettre des informations, ce qui présente des limites en termes de vitesse et de consommation d’énergie. Nous développons une méthode basée sur la modulation de la polarisation de la lumière, permettant des vitesses beaucoup plus élevées, jusqu’à 1 THz. De plus, ce concept est plus sobre en énergie car l’intensité lumineuse reste constante, quelle que soit la vitesse à laquelle nous modulons la polarisation. Le principe consiste à ajouter une couche magnétique à une structure diode capable de sélectionner le spin des électrons. La sélection en spin permet de contrôler la polarisation des photons émis par la diode électroluminescente. En utilisant l’effet Hall de spin, nous avons démontré qu’il était possible de contrôler, par injection électrique, la polarisation de la lumière, permettant ainsi de transmettre des données à très haute vitesse.
Schéma de la structure de la LED de spin avec une couche active constituée de nanocristaux d’InAs. L’injecteur de spin est une structure de MgO(2,5 nm)/CoFeB(1,2 nm)/Ta(3 nm)/Cr(3 nm). L’image de microscopie est obtenue en mode haute résolution en champ clair et montre la structure multicouche de l’injecteur.
Contrôler l’interaction lumière-matière à l’échelle nanométrique à l’aide de nano-antennes optiques
Les nano-antennes optiques permettent d’obtenir autour d’elles des champs électromagnétiques intenses et confinés, qui peuvent être utilisés pour contrôler les interactions lumière-matière à l’échelle nanométrique. Nous les utilisons par exemple pour renforcer l’émission de fluorescence d’émetteurs quantiques, pour détecter des molécules proches ou pour déclencher des réactions photochimiques. Nous travaillons sur la conception et la fabrication de nano-antennes plasmoniques ou diélectriques, sur les techniques de fonctionnalisation pour greffer des molécules sur les nanostructures, et sur les techniques expérimentales pour caractériser la réponse optique des systèmes hybrides résultants (mesures d’extinction, photoluminescence, imagerie dans le plan de Fourier, imagerie en champ proche, ellipsométrie). Les matériaux peuvent être préparés par lithographie électronique ou optique, par dépôt sol-gel ou encore sous ultravide par des techniques MBE. Différents métaux ainsi que des semiconducteurs fortement dopés sont utilisés, permettant ainsi de couvrir la gamme spectrale de l’ultraviolet au moyen infrarouge.
Mise en évidence dans un microscope électronique à transmission de résonances multiples dans une structure fractale à base d’aluminium. (A) Image HAADF de la structure fractale, (B) et (C) images obtenues en spectrométrie de perte d’énergie d’électrons indiquant différents modes résonnants.
Explorer et valoriser les propriétés d’émission de lumière des nanocristaux semiconducteurs en solution colloïdale
Les nanocristaux semi-conducteurs présentent des propriétés optiques remarquables qui diffèrent de celles des matériaux massifs en raison de leur taille nanométrique. Parmi ces propriétés, ils offrent de larges bandes d’absorption, une émission de lumière accordable en énergie en fonction de la taille et de la composition, une grande luminosité et une photostabilité élevée. Nous synthétisons une grande variété de tels nanocristaux par voie colloïdale, à base d’éléments non toxiques, et en optimisant leurs propriétés en solution aqueuse. Les applications visées sont principalement les capteurs de polluants, l’imagerie optique et bimodale, ainsi que les dispositifs pour l’éclairage.
Elaboration par voie colloïdale de nanocristaux semiconducteurs (alliage Ag-In-Ga-Zn-S) dopés avec des métaux de transition (Mn). Les propriétés optiques et magnétiques induites par le dopage avec le manganèse font de ces matériaux des outils pour l’imagerie bimodale optique et magnétique.
Des pérovskites hybrides organiques/inorganiques pour l’émission large bande ou le contrôle de la polarisation de la lumière
Les pérovskites hybrides halogénés (PHH) sont des matériaux innovants constitués d’une charpente inorganique au sein de laquelle s’insèrent des cations organiques. Ces matériaux présentent des propriétés semiconductrices intéressantes notamment d’absorption ou d’émission de photons. Une ingénierie de la composition chimique permet par substitution du métal central (Pb, Sn, Ge) ou de l’halogène (Cl, Br, I) d’ajuster les propriétés physiques telles que le gap électronique, et donc la longueur d’onde des photons émis ou absorbés. Cette capacité à pouvoir moduler la longueur d’onde de la lumière émise fait des PHH des matériaux prometteurs pour des applications optoélectroniques. Nous développons d’une part des pérovskites capables d’émettre de la lumière sur une très large gamme spectrale (émission de lumière « blanche »), et d’autre part des pérovskites capables d’émettre de la lumière contrôlée en polarisation. Cette dernière propriété est obtenue en introduisant délibérément un cation chiral dans la structure. Ce dernier impose une brisure de la symétrie d’inversion et peut transférer sa chiralité à la charpente inorganique semiconductrice. Ce mécanisme permet un contrôle du spin des porteurs de charges injectés (électrons et trous) dont la recombinaison induit une émission de lumière polarisée circulaire gauche ou droite selon le spin des porteurs de charges. Des applications dans le domaine des télécommunications sont envisagées.
Emission de lumière blanche dans la pérovskite hybride 2D (C6H11NH3)2CdBr4, résultant du confinement des porteurs de charge dans les feuillets inorganiques 2D.
Procédés laser ultra-rapide sur diélectriques et semiconducteurs innovants, applications aux photovoltaïques et capteurs
Les enjeux énergétiques, technologiques et numérique de notre époque amènent à devoir élargir la physique des semiconducteurs afin de considérer de nouveaux matériaux, de nouveaux procédés et de nouveaux dispositifs. Les défis concernent entre autres les nouvelles approches permettant l’exploitation optimale de l’énergie photovoltaïque, la conception de nouveaux capteurs et l’usage de technologies basées sur des matériaux abondants avec un cycle de vie durable. Nous travaillons sur la physique des semiconducteurs aussi bien organiques, qu’inorganiques. Nos recherches portent entre autres sur la croissance ou le dépôt de matériaux en couches minces nano-structurées, sur la modification des matériaux par des traitements chimiques ou physiques et sur l’étude des propriétés opto-électroniques qui ont un fort impact sur le fonctionnement des composants, ainsi que sur la possibilité de micro-structurer ou souder ces matériaux à l’aide de laser ultrabref.
Echantillon de verre soudé par des impulsions laser femtosecondes utilisant un dispositif de focalisation à longue distance focale.
Matériaux photoréfractifs
Un matériau photoréfractif est un type de matériau optique capable de modifier son indice de réfraction en réponse à l’exposition à une lumière intense, généralement cohérente (comme celle d’un laser). Cette propriété est due à des mécanismes internes tels que le piégeage et le déplacement de porteurs de charge, suivis d’une redistribution des charges dans le matériau.
Plus spécifiquement l’illumination du matériau par un laser intense génère des charges qui se déplacent sous l’effet d’un gradient d’intensité lumineuse. Les charges piégées dans le matériau forment un champ électrique intense qui modifie localement l’indice de réfraction par effet Pockels, et ces modifications d’indice de réfraction permettent de modifier la propagation de la lumière et de constituer ainsi par exemple des guides d’onde photo-induits.
Nous étudions les propriétés optiques de différents matériaux photoréfractifs pour différentes natures et densités de dopages, permettant de bénéficier de cet effet photoréfractif aux longueurs d’onde visibles jusqu’au proche infra-rouge. Nous exploitons cette photoréfractivité pour constituer des guides d’ondes optiques reconfigurables dans la matière mais aussi pour stocker de l’information optique ou encore manipuler la vitesse de propagation d’une impulsion lumineuse dans la matière. L’utilisation de matériaux photoréfractifs semi-conducteurs permet de significativement réduire la constante de temps de ces interactions lumière-matière.
Interaction de la lumière dans un cristal photoréfractif.
Matériaux photoréfractifs, guides d’onde photo-induits, ralentissement de la lumière
Laboratoire de chimie et physique – Approche multi-échelles des milieux complexes, Université de Lorraine
Elaboration sol-gel, modélisation
Light, Nanomaterials, Nanotechnologies, Université de Technologies de Troyes
Nanotechnologies, Interaction lumière-matière à l’échelle nanométrique
Guides d’onde photo-induits, patterns optiques, interaction faisceaux non conventionnels et calcul neuro-inspiré, matériaux photoréfractifs
Laboratoire de Cristallographie, Résonance Magnétique et Modélisations, Université de Lorraine
Pérovskites hybrides
Institut Jean Lamour, Université de Lorraine
Elaboration par MBE, plasmonique infrarouge
Laboratoire Réactions et Génie des Procédés, Université de Lorraine
Quantum dots, synthèse par voie colloïdale
Matériaux photoréfractifs, guides d’onde photo-induits, ralentissement de la lumière, solitons et patterns spatiaux
Matériaux photoréfractifs, guides d’onde photo-induits, ralentissement de la lumière, solitons et patterns spatiaux
