Dispositifs émetteurs de lumière, pompés électriquement, à base de pérovskites hybrides – EMIPERO

La réalisation des dispositifs repose sur les compétences de trois équipes complémentaires: un spécialiste des pérovskites hybrides, un spécialiste de la nanophotonique pour l'émission lumineuse, et une troisième entité multidisciplinaire, spécialiste des semi-conducteurs organiques et plus récemment des dispositifs optoélectroniques à base de pérovskites hybrides, et spécialiste des communications par lumière visible.

• Des monocristaux de pérovskites 2D de Ruddlesden-Popper de phase pure : n = 1, 2, 3, 4 ont été synthétisés et une étude de la dynamique de recombinaison excitonique à température ambiante en fonction de la puissance d’excitation a été menée. A basse puissance, la dynamique est dominée par la recombinaison des excitons sur les défauts. A haute puissance, nous avons mis en évidence qu’une fois les défauts saturés, en-dessous de la transition de Mott, la dynamique est dominée par le phénomène d’annihilation exciton-exciton.
• Des métasurfaces à base d’un réseau bidimensionnel sub-longueur d’onde de pilliers de pérovskites 2D émettant dans le vert, montrant un couplage fort à température ambiante ont été réalisées. L’ingéniérie du mode de Bloch photonique auquel la pérovskite est couplée permet de jouer sur la relation de dispersion des polaritons (dispersion linéaire, parabolique, multi-vallée).
• Une microcavité verticale contenant une couche de MAPB spin-coatée, fonctionnant en régime de couplage fort à température ambiante, a été réalisée.

Réaliser des dispositifs électroluminescents à base de pérovskites à pompage électrique, tels que des diodes électroluminescentes (LED) et des diodes laser (LD).

• G. Delport, G. Chehade, F. Lédée, H. Diab, C. Milesi-Brault, G. Trippé-Allard, J. Even, J.S. Lauret, E. Deleporte, D. Garrot. Exciton recombination and annihilation in pure phase phenylethylammonium-based multilayered Ruddlesden-Popper halide perovskites. JPCL 2019, 10, 5153-5159. doi.org/10.1021/acs.jpclett.9b01595

• Paul Bouteyre, Hai Son Nguyen, Jean-Sébastien Lauret, Gaëlle Trippé-Allard, Géraud Delport, Ferdinand Lédée, Hiba Diab, Ali Belarouci, Christian Seassal, Damien Garrot, Fabien Bretenaker, and Emmanuelle Deleporte, «Room-Temperature Cavity Polaritons with 3D Hybrid Perovskite: Toward Large-Surface Polaritonic Devices«, ACS Photonics 2019 6 (7), 1804-1811. 10.1021/acsphotonics.9b00625

• Nguyen Ha My Dang, D. Gerace, E. Drouard, G. Trippé-Allard, F. Lédée, R. Mazurczyk, E. Deleporte, C. Seassal, Hai Son Nguyen. « Tailoring dispersion of room temperature exciton-polaritons with perovskite-based subwavelength metasurfaces ». Nano Lett. 2020, 20, 3, 2113-2119. ttps://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c00125

Notre société est basée sur les technologies de communication. Depuis 10 ans, les communications sans fil ont connu le développement de systèmes basés sur la lumière visible. Pour l’instant, les sources pour les Communications par Lumière Visible (CLV) sont basées sur des diodes électroluminescentes (DEL) inorganiques à base de GaN, qui permettent des temps de modulation rapides, mais qui sont plus chères que l’éclairage classique par incandescence. Par conséquent, pour les sources dédiées aux applications CLV, il y a un besoin pour des technologies peu chères et de grande surface. Les DEL organiques présentent un inconvénient qui les rend non attractives pour le CLV: leurs propriétés de transport de charges limitées font qu’on ne peut les utiliser que dans des composants de petite surface. Le projet EMIPERO propose de montrer que les Pérovskites Hybrides Organiques (PHO) sont une technologie intéressante pour l’émission de lumière, particulièrement bien adaptée pour les applications CLV. Nous pensons que passer des émetteurs organiques aux émetteurs à base de PHO va permettre de réaliser des sources modulables à fréquence élevée et/ou de plus grande surface active, grâce aux grandes mobilités des électrons et des trous (10 cm²/V.s).
Les matériaux PHO sont des candidats pertinents pour réaliser des composants émetteurs de lumière intégrables, tels que des DELs ou des microlasers car ils présentent des processus de recombinaison radiative efficaces, leur énergie de bande interdite peut être facilement variée en jouant sur la composition chimique des pérovskites, en particulier la longueur d’onde verte est aisément accessible. Ces matériaux sont synthétisés en solution à basse température, ce qui est compatible avec les procédés utilisés pour réaliser des DELs ou des diodes laser à grande échelle, sur des supports bon marché, éventuellement intégrables dans des composants silicium. Jusqu’à aujourd’hui, tous les composants laser à base de PHO présentés dans la littérature sont pompés optiquement. L’effet laser par pompage électrique est donc encore un important défi à relever. La combinaison des propriétés optiques excellentes de ces matériaux avec des structures résonantes adéquates et des contacts électriques de grande qualité reste donc à démontrer pour obtenir l’injection électrique des microlasers à base de PHO.
Le projet EMIPERO a pour but d’utiliser les matériaux PHO pour développer une technologie pertinente pour l’émission de lumière, particulièrement adaptée pour les applications CLV. A cette fin, nous proposons la réalisation de DELs et de microlasers à base de PHO et le principal objectif du projet EMIPERO est d’obtenir des composants émetteurs de lumière à base de PHO pompés électriquement. Le projet propose une étude complète depuis les propriétés fondamentales du matériau en vue de son optimisation pour l’effet laser jusqu’aux caractérisations de la performance des composants pour le CLV. Alors que des films minces monocristallins de PHO sont utilisés pour explorer les propriétés intrinsèques des PHO et que des DELs de référence sont utilisées pour explorer différents scenarii de CLV, des composants à base de nanostructures photoniques sont proposés comme une technologie puissante pour contrôler les propriétés d’émission. L’obtention de l’effet laser sous pompage électrique bénéficiera des études réalisées sur les DELs. Le problème de la stabilité des PHO est pris en compte en choisissant comme matériau les HOPs les plus stables : la famille des pérovskites hybrides de structure Ruddelsden-Popper.
La réalisation des dispositifs s'appuie sur les compétences de trois équipes complémentaires: un spécialiste des matériaux HOP (LAC), un spécialiste de la nanophotonique pour l'émission lumineuse (INL), un spécialiste des semiconducteurs organiques et plus récemment des dispositifs optoélectroniques hybrides pérovskites (XLIM).