Emetteurs THz de type synchrotron à base de matériaux 2D ondulés – STEM2D

Le rayonnement téraHertz (THz) est important à la fois pour la science fondamentale et pour la technologie avec des applications
prometteuses en astronomie, chimie, biosécurité et communications. Cependant, la gamme de fréquence THz (en particulier de 1 à
10 THz) reste l'une des régions spectrales les moins développées en raison du manque de sources puissantes et compactes.

Le
projet STEM2D relève le défi de réaliser des émetteurs intégrés d'ondes submillimétriques-THz puissants, à base de matériaux 2D et
fonctionnant à température ambiante. La nouveauté sera d'exploiter le processus de rayonnement de type synchrotron dans les
matériaux 2D ondulés. Le rayonnement de type synchrotron est bien établi dans le contexte des dispositifs à faisceau d'électrons tels que les lasers à électrons libres, mais représente un concept original pour l'émission de lumière dans la matière condensée. De plus, l'utilisation de contraintes géométriques (ondulation) par opposition à l'application d'un champ magnétique externe (comme dans les wigglers) pour obtenir un rayonnement par mouvement angulaire est innovante.

Les matériaux 2D (tels que le graphène) sont très attrayants pour ce concept. En effet, en raison de leur épaisseur extrêmement faible (c'est-à-dire une couche atomique unique), on peut s’attendre à une adhésion conforme des matériaux 2D à une surface ondulée dont la périodicité du réseau serait inférieure au micron. Plus particulièrement, dans le graphène, la vitesse des porteurs est environ un ordre de grandeur plus élevée que les vitesses de dérive maximales pouvant être atteintes dans les semiconducteurs classiques ; ainsi la puissance THz délivrée devrait être très élevée. De plus, les autres matériaux 2D tels que le MoS2 et le phosphore noir, même si les mobilités des porteurs sont plus faibles, possèdent une bande interdite offrant un contrôle important de la densité de porteurs à l'aide d'une électrode de grille. Ainsi, les émetteurs de type synchrotron basés sur ces matériaux 2D pourraient émettre de la lumière THz modulée à une fréquence GHz avec un contraste élevé, ce qui est particulièrement intéressant pour les applications de communication.

En combinant des techniques de nanofabrication, des expériences THz avancées et une modélisation microscopique approfondie, nous étudierons des dispositifs de rayonnement THz à base de matériaux 2D ondulés dont les propriétés sont très intéressantes sur le plan fondamental et très prometteuses sur le plan technologique. Les trois objectifs majeurs de ce projet sont : i) l'étude théorique des matériaux 2D ondulés et leur couplage à une cavité, ii) la démonstration d'émetteurs THz à base de graphène ondulé et iii) l'extension de ce concept à d'autres matériaux 2D pour moduler efficacement le rayonnement THz à hautes fréquences en utilisant une électrode de grille.

Pour atteindre ces objectifs, plusieurs défis devront être relevés. Le principal défi technologique consiste à obtenir des substrats ondulés de haute qualité et à transférer efficacement les matériaux 2D sur ceux-ci. L’enjeu instrumental est de détecter le rayonnement THz de faible puissance qui sera émis par la première série de dispositifs (non encore optimisés). Le principal défi scientifique consiste à étudier théoriquement le couplage de matériaux 2D ondulés à une cavité optique. En effet, une approche innovante doit être proposée pour synchroniser le rayonnement THz émis par le dispositif au temps d’aller-retour des ondes THz se propageant dans la cavité optique.

L’impact global de STEM2D sera considérable car ce projet démontrera le potentiel d’un nouveau concept exploitant les matériaux 2D ondulés pour la technologie THz.

Le projet STEM2D implique 1 partenaire industriel Thales Research and Technology et 3 partenaires académiques : Institut d'électronique et des systèmes, le Laboratoire de physique de l'ENS et l'unité mixte de physique CNRS/Thales.