Dispositifs opto-electro-mécaniques d'épaisseur atomique – ATOEMS

De nombreux progrès en photonique, en optoélectronique et en optomécanique ont été rendus possibles par l'amélioration de la qualité et des propriétés physiques de matériaux de basse dimensionnalité. Les matériaux 2D (2DM, dichalcogénures de métaux de transition semi-conducteurs (TMD) et graphène) sont des exemples de choix. Les 2DM présentent des propriétés optiques et électroniques remarquables et sont des briques élémentaires idoines pour les hétérostructures de van der Waals (vdWH), dans lesquelles leurs propriétés peuvent être protégées et exaltées. Les 2DM sont aussi des systèmes nanomécaniques légers et ultrasensibles qui peuvent être contrôlés par une contrainte externe.
Bien qu'une variété de dispositifs optoélectroniques et de résonateurs nanomécaniques fabriqués à partir de 2DM aient été démontrés, les connexions subtiles entre les propriétés microscopiques (excitons, phonons,…) des 2DM et les figures de mérite optoélectroniques et/ou mécaniques macroscopiques restent inexplorées.

Les caractéristiques d'émission, l'accordabilité et la sensibilité exceptionnelle des 2DM ouvrent la voie à une nouvelle classe de dispositifs opto-électro-mécaniques d’épaisseur atomique (ATOEMS). Ces systèmes seront des émetteurs de lumière contrôlables qui exploiteront les caractéristiques physiques exceptionnelles des 2DM. Inversement, nous envisagerons les ATOEMS comme sondes ultra-sensibles de perturbations locales. Notre consortium collaborera vers les objectifs suivants :

O1) Synthétiser et caractériser des cristaux massifs et des monocouches de TMD présentant des densités de défauts et de dopants minimales.
O2) Avec ces cristaux, fabriquer des vdWH ultra-propres suspendues, en contrôlant l’alignement angulaire (et les moirés) puis en caractérisant leur réponse optique, y compris dans le domaine proche IR.
O3) Étudier le transfert de charge et d'énergie intercouches, ainsi que les excitons piégés par le superpotentiel de moiré dans les vdWH.
O4) Concevoir une plateforme opto-électro-mécanique qui combine actuation nano-mécanique, mesure de déplacements et spectroscopie optique.
O5) Réaliser un contrôle via contrainte dynamique des caractéristiques d'émission de lumière dans les 2DM. Inversement, utiliser des phonons et des excitons comme sondes de contrainte.
O6) Contrôler mécaniquement le couplage entre 2DM à l’échelle (sub)-Ångström, ainsi que les excitons de moiré dans les vdWH alignées.
O7) Démontrer des dispositifs quantiques photo- et électroluminescents qui exploitent les propriétés ci-dessus et qui fonctionneront dans le régime du photon unique et dans le domaine visible et proche-IR.

ATOEMS relève le défi technologique de développer une nouvelle classe de nanodispositifs émetteurs de lumière avec une approche fondamentale et bien distincte de celles développées en physique et ingénierie des semi-conducteurs.
Nous pousserons l'ingénierie de van der Waals aux limites et nous introduirons également une nouvelle méthodologie expérimentale permettant un contrôle ultrafin de la distance entre les couches et de l’alignement angulaire aux échelles requises. Nous pourrons ainsi contrôler l’écrantage diélectrique, la dynamique excitonique et enfin, la physique des moirés (localisation et diffusion des excitons) avec une précision sans précédent.
L'exploitation conjointe des propriétés photophysiques et mécaniques des 2DM nous permettra i/ de proposer de nouveaux concepts contribuant aux domaines en plein essor de la « straintronique » et de la « twistronique » et ii/ d'obtenir des performances allant au-delà de l'état de l'art, comme le contrôle électromécanique des caractéristiques d'émission lumineuse, des rendements d'émission proches de l'unité, l’opération dans le régime du photon unique, sans oublier la compatibilité avec les circuits intégrés photoniques en silicium et le fonctionnement aux longueurs d'onde télécom (cf. O2). Ces fonctionnalités constitueront une avancée considérable pour les dispositifs à base de 2DM.