Métasurfaces électroluminescentes directionnelles – DILEMMA

Cette proposition vise à développer des sources de lumière UV intégrées et directionnelles à température ambiante basées sur des métasurfaces III-V AlGaN dopées avec des boites quantiques GaN. Les boites quantiques GaN (QD) seront couplées à des nanostructures AlGaN agissant comme des nanocavités optiques hébergeant des résonances Mie d'ordre faible. L'indice de réfraction élevé de l'AlGaN donnera des résonances de Mie bien prononcées. Dans cette proposition, les QD GaN ne seront pas disposées sur la métasurface mais intégrés directement à l'intérieur des nanostructures AlGaN. D'une part, nous tirerons parti des techniques théoriques et informatiques avancées développées par le groupe théorique de Fresnel, en s'appuyant sur leurs codes en éléments finis et en décomposition modale multipolaire, pour gérer avec précision et efficacité les interactions lumière-matière à plusieurs échelles. Les investigations théoriques guideront la conception et optimiseront la configuration de la nanostructure pour atteindre l'émission directionnelle. D'autre part, le groupe expérimental du CRHEA développera des sources de lumière UV-visible intégrées par dopage, durant la phase de croissance, avec des boites quantiques GaN à l'intérieur des particules d'AlGaN. En ce qui concerne le choix des matériaux, et notamment vis-à-vis du GaAs plus conventionnel et autres semi-conducteurs III-V à bande interdite directe, l'AlGaN considéré dans ce projet n'est pas toxique et sa composition peut être ajustée pour émettre de la lumière depuis l’UV profonds vers le bleu, conduisant à des applications importantes en stérilisation UV, à faible coût , sources lumineuses compactes, reconfigurables ou directionnelles (application dans les micro-écrans et autres appareils de réalité virtuelle/augmentée).
Bénéficiant de la forte amélioration du facteur de Purcell et des propriétés de diffusion des nano-antennes, nous visons à contrôler la directivité des émissions en vue de réaliser des sources de lumière UV intégrées efficaces et compactes. Nous explorerons de nouvelles conditions d'émission réalisables à l’aide d’un assemblage d'émetteurs nanostructurés variant dans l'espace et aborderons des problèmes fondamentaux tels que l'interaction champ proche antenne-antenne et l'émission de lumière directionnelle à partir des résonances de Mie.
L'enjeu de cette proposition réside non seulement dans le dopage des cavités à haut indice de réfraction à boites quantiques (QD) mais également dans leur encapsulation et leur positionnement précis pour répondre aux conditions attendues. Outre le renforcement de l'effet Purcell des boites quantiques, le couplage entre les QD et les réseaux de résonateurs Mie offrira de nombreux degrés de liberté pour adapter la directivité et façonner le profil d'émission. L'adressage direct des propriétés de lumière au cours du processus d'émission ouvre de nouvelles voies pour le contrôle de la lumière incohérente. Cela pourrait conduire à de nouvelles structures lasers innovantes ou encore à des réseaux de nanostructures émettrices de lumière cohérentes, ravivant des concepts bien maitrisés tels que la superradiance directionnelle de Dicke ou les émetteurs directionnels à photon unique.