Nanosources de lumière hybrides or/semi-conducteur – GYN

Une première partie du projet implique la synthèse des nanostructures hybrides. Le LPEM développera la synthèse de golden QDs (pour quantum dots) à la géométrie qui permettra d’optimiser l’exaltation du taux d’émission spontanée. Le LPEM cherchera à étendre ses méthodes de synthèse à des nanoplaquettes (NPs). Ces nouvelles méthodes de synthèse amèneront le LCF à adapter ses modèles pour prendre en compte les spécificités des nouvelles nanoparticules. Le GEMaC caractérisera en détail leurs propriétés de fluorescence par des expériences de photoluminescence résolues en temps.
La deuxième phase porte sur les effets associés à l’émission d’un ensemble de QDs ou de NPs couplées à divers types de résonateurs plasmoniques. Le LPEM synthétisera des superparticules hybrides constituées par un ensemble d’émetteurs colloïdaux entourés par une coquille d’or. En plus de modélisations théoriques, le LCF réalisera aussi des réseaux intégrant des NPs et des antennes patch dans lesquelles sont incorporées des QDs. Dans le régime d’émission collective, le GEMaC examinera l’influence du nombre d’émetteurs et de la température sur la durée de vie radiative ou encore les spectres d’émission et d’extinction ce qui permettra de caractériser les effets collectifs.
Il s’agira enfin de transposer les structures déjà réalisées dans l'infrarouge par MPQ au domaine visible. Il s'agira en particulier d'adapter les structures électriques d'injection des trous et des électrons à des QDs de plus grande bande interdite. En parallèle le LCF s'attachera à développer un modèle permettant de comprendre les observations expérimentales. Le GEMaC et le MPQ mèneront enfin une étude détaillée des propriétés de photoluminescence et surtout d'électroluminescence des structures par des expériences résolues en temps, de microscopie de Fourier, ou encore de spectroscopie permettront de démontrer la superradiance dans les diodes électroluminescentes ultrarapides réalisées.

1) Synthèse d'agrégats de nanocristaux (NCs)
Depuis le début du projet GYN, l’équipe du LPEM est parvenue à synthétiser des agrégats (ou superparticules, SPs) constitués de NCs. En particulier, les pertes de rendement de fluorescence lors de la formation des agrégats et de la synthèse de la coquille de silice ont été fortement réduites. La dimension des SPs atteint maintenant 130 nm de façon contrôlée.

2) Caractérisation des propriétés optiques des SPs à 300K
Les expériences menées au LPEM et au GEMaC sur des ensembles de SPs ou sur des SPs individuelles ont permis de mettre en évidence un décalage vers le rouge et une accélération de l’émission des NCs lorsqu’ils sont assemblés en SPs. Des mesures résolues spectralement et en temps ont montré que ces observations sont dues à un transfert d’énergie non résonant (FRET pour Förster resonance energy transfer) prononcé.

3) Couplage fort entre un film d’or et un film de nanoplaquettes
L’équipe du LCF a mis en évidence un phénomène de couplage fort important (la levée de dégénérescence atteint 80 meV). Ces études ont aussi permis de mettre en évidence la pertinence de la modélisation de ces systèmes en termes d’indice effectif.

4) Propriétés d’émission des LEDs
Toujours dans ce cadre théorique, les équipes du LCF et de MPQ ont montré que l’émission de LEDs associant des nanoantennes métalliques et des nanocristaux de PbS ne provenait pas de l’exaltation de l’émission des NCs individuels par les nanoantennes. Seul un modèle basé sur une description statistique de l’ensemble des NCs couplés aux nanoantennes permet d’interpréter les résultats expérimentaux.

GYN est un projet dont les enjeux sont tout d’abord fondamentaux. Dans ce projet fortement interdisciplinaire, la complémentarité des équipes du consortium, à l’expertise reconnue dans les domaines de la synthèse, de l'élaboration, de la modélisation et de la caractérisation optique, permettra d’obtenir des avancées majeures. Les travaux menés sur les ensembles d’émetteurs couplés à des résonateurs plasmoniques permettront ainsi d’explorer des régimes d’interaction lumière-matière originaux.

Au-delà des retombées scientifiques, les nanostructures et les dispositifs développés dans ce projet s’inscrivent dans le domaine en émergence de la nanophotonique et plus spécifiquement de l’utilisation de nanostructures colloïdales. Ces dernières peuvent être utilisées dans un vaste champ d’applications allant du marquage de molécules biologiques aux dispositifs optoélectroniques. Récemment plusieurs groupes ont entamé la commercialisation de téléviseurs dans lesquels les structures émettrices sont des QDs. Des LEDs à base de QDs et pompées électriquement peuvent aussi atteindre des efficacités quantiques externes de l’ordre de 20 %.

Des nanoémetteurs individuels confinés dans un faible volume, en interactions, et couplés avec une résonance plasmonique donneront naissance à des propriétés d’émission collectives originales telles que de la superradiance ou du couplage fort. Fonctionnant à température ambiante, cette nouvelle classe de nanostructures hybrides ouvre enfin la voie à la réalisation de sources de lumière brillantes, ultrarapides, de conception innovante et pouvant être pompées électriquement.

1. H. Wang, A. Aassime, X. Le Roux, N. J. Schilder, J.-J. Greffet, and A. Degiron, « Revisiting the Role of Metallic Antennas to Control Light Emission by Lead Salt Nanocrystal Assemblies », Physical Review Applied 10, 034042 (2018)
2. L. Wojszvzyk, H. Monin, J.-J. Greffet, « Light Emission by a Thermalized Ensemble of Emitters Coupled to a Resonant Structure », Adv. Opt. Mat. 7, 1801697 (2019)
3. I. Shlesinger, H. Monin, J. Moreau, J.-P. Hugonin, M. Dufour, S. Ithurria, B. Vest, and J.-J. Greffet, « Strong coupling of nanoplatelets and surface plasmons on a gold surface », ACS Photonics (accepté pour publication)

GYN est un projet multidisciplinaire consacré au couplage entre des nanocristaux semi-conducteurs colloïdaux et des résonateurs plasmonique. En tirant partie d’effets collectifs et d'antenne, il vise à concevoir une nouvelle génération de sources lumineuses hybrides et de dispositifs pompés électriquement qui émettent de la lumière aux propriétés non standard.

Le premier objectif est de modéliser et de synthétiser des émetteurs fluorescents à l’émission rapide (la durée de vie radiative sera inférieure à la nanoseconde) présentant une émission parfaitement stable et d’une grande résistance au photoblanchiment. Dans un premier temps, des nanocristaux colloïdaux individuels à la structure cœur/coque CdSe/CdS de forme sphérique (quantum dots, QDs) ou à deux dimensions (nano-plaquettes, NPs) seront encapsulés dans une couche de silice ou de polymère et recouverts par une coquille d’or par des méthodes de chimie en solution. La structure de ces matériaux hybrides sera optimisée grâce à une modélisation théorique.

Au-delà de l’étude d’émetteurs individuels, nous nous intéresserons au couplage d’un ensemble de QDs ou de NPs à des cavités plasmoniques. Des super-particules contenant un ensemble de QDs ou de NPs entourés par une coque d’or seront synthétisés. Nous examinerons aussi les propriétés de structures constituées par des NPs couplées au mode plasmon de réseaux linéaires ou des antennes patch intégrant des QDs. Nous chercherons à exalter l’émission lumineuse à travers des effets collectifs (superradiance, couplage fort) à température ambiante. Ces systèmes ouvrent la voie à une émission de lumière à des échelles de temps extrêmement courtes (inférieures à la picoseconde) et fournissent des objets modèles pour étudier l’influence du nombre d’émetteurs dans des régimes originaux d’électrodynamique quantique en cavité.

Le dernier but de ce projet est consacré au pompage électrique de ces systèmes avancés, une étape qui est un jalon essentiel pour les applications. En s'appuyant sur une émission superradiante, ces dispositifs représenteront une nouvelle catégorie de sources complémentaires aux lasers. Ils ouvriront des perspectives particulièrement attrayantes pour la réalisation de LEDs directionnelles et ultra-rapides pouvant être modulées à un débit similaire aux lasers (quelques dizaines de GB/s), et ce pour une fraction du coût en énergie.