Excitonique moléculaire pour l'optoélectronique cohérente intégrée – M-Exc-ICO

Notre projet vise à comprendre et maîtriser l'émission de lumière cohérente à partir de nanostructures organiques excitées électriquement. Notre motivation à long terme est le développement de composants optiques actifs pouvant être intégrés à la nanoélectronique d’une puce. En particulier, nous allons concevoir de nouvelles nanosources électriques de signaux optiques cohérents pour les futures technologies de l'information et de la communication (TIC).

L'utilisation de la lumière pour le transport et le traitement de l'information dans des dispositifs est un objectif de longue date de l'industrie des semi-conducteurs. La lumière permet d’avoir une bande passante plus étendue qu’avec l’électronique à base de silicium et des possibilités supplémentaires de multiplexage grâce à la longueur d'onde et la polarisation. Dans ce contexte, la cohérence temporelle (finesse spectrale) des sources est essentielle afin d'optimiser le multiplexage et le traitement des signaux optiques. Actuellement, les technologies de nanofabrication à base de semi-conducteurs inorganiques ne parviennent pas à produire des sources cohérentes suffisamment petites pour être intégrées à la nanoélectronique; par conséquent, ces sources doivent être placées à l’extérieur de la puce.

Notre approche se distingue de l'état de l'art par l'utilisation d'agrégats moléculaires, qui ont à la fois des dimensions nanométriques et des spectres de luminescence exceptionnellement étroits. Afin de préserver la structure électronique des molécules, nous utilisons une jonction tunnel nanométrique pour activer électriquement cette luminescence plutôt que des contacts directs aux électrodes métalliques. Les caractéristiques optiques des agrégats moléculaires résultent de la délocalisation des excitations moléculaires (excitons) sur plusieurs molécules couplées de manière cohérente. Pour certains arrangements moléculaires appelés agrégats J, la délocalisation des excitons produit une bande d'émission unique et très étroite. Cet effet, nommé émission super-radiante, a été largement étudié dans le cas de la photoluminescence, c’est-à-dire lorsque la luminescence moléculaire est induite par absorption de lumière. A l'inverse, l’excitation électrique de l'émission super-radiante dans une jonction tunnel est encore très peu étudiée.

Notre projet aborde des questions fondamentales devant être résolues avant tout développement de technologies basées sur l'émission super-radiante induite électriquement dans des agrégats moléculaires. Ces questions impliquent des processus physiques complexes aux échelles atomiques et moléculaires. C’est pourquoi nous allons étudier des systèmes modèles dans des conditions ultra contrôlées. Ces systèmes modèles se composent de molécules organiques formant des agrégats J d'épaisseur mono-atomique sur des couches minces isolantes épitaxiées sur des monocristaux métalliques. Les expériences seront réalisées avec deux microscopes à effet tunnel (STM) sous ultravide, afin de contrôler à l'échelle atomique les propriétés des systèmes modèles et leur excitation électrique. Un STM à température ambiante sera utilisé pour caractériser les sytèmes modèles. Un second STM, fonctionnant à basse température et équipé d'un dispositif optique, permettra la détection et l’analyse spectrale de la luminescence des agrégats moléculaires induite par la pointe du STM et induite par excitation laser.

L’analyse statistique de l’ordre structural, de la taille des domaines et du mode de croissance des agrégats moléculaires sera menée par diffraction d’électrons lents à haute résolution (SPA-LEED). Les effets électroniques des interactions intermoléculaires et molécule-substrat seront sondés par spectroscopie de rayons X sur la ligne TEMPO du synchrotron SOLEIL. Enfin, une modélisation complète des processus d'excitation et d'émission sera développée, laquelle inclura les propriétés électroniques et électromagnétiques des agrégats moléculaires et la pointe du STM.