Recherche - Valorisation
Ancien thème de recherche du LPQM
I- Microcavités
Les microcavités de semiconducteurs, constituées d'un ensemble de puits quantiques enserrés dans une cavité Pérot-Fabry (microcavités planaires), présentent un intérêt particulier tant sur le plan de la recherche fondamentale : étude du couplage entre le champ électromagnétique (confiné par la cavité) et les excitations électroniques (excitons) que sur le plan de la recherche appliquée : réalisation de sources lasers miniaturisées et à bas seuil.
Les pérovskites sont des molécules de formule générique (R-NH3)2MX4, où M est un ion métallique tel que Ge, Sn, Pb, X est un halogène tel que Cl, Br, I, et R une chaîne alkyle : C6H5C2H4- ou CnH2n+1-. Ce type de molécules est très étudié dans le domaine des supraconducteurs (à base d'oxyde de cuivre tels que par exemple La2-xSrxCu02) ou dans le domaine des propriétés magnétiques bidimensionnelles.
Les pérovskites se déposent par des méthodes très simples et peu coûteuses telles que la méthode d'évaporation de solvant ou par dépôt à la tournette, sur des substrats très divers.
Lors du dépôt à la tournette, les interactions de Van der Waals entre les molécules sont responsables de la formation de nanocristaux formés d'une alternance de feuillets organiques constituées des chaînes carbonées R et de feuillets halogénures de métal constituées d'octaèdres formées à partir de MX4 : voir figure 2.
Figure 2: Exemple de molécules de pérovskites [(C6H5C2H4)2PbI4]
Cette structure nanométrique bidimensionnelle auto-organisée confine fortement les fonctions d'onde électroniques [2, 3] : les feuillets organiques, d'épaisseur de l'ordre du nanomètre, consituent des barrières de potentiel (les couches organiques présentent une énergie de bande interdite dans l'ultraviolet), les feuilles MX4 constituent des puits de potentiel d'épaisseur une fraction de nanomètre, la différence d'énergie de bande interdite entre les 2 types de feuillets est de l'ordre de 3 eV. On voit alors apparaître dans le spectre d'absorption des cristaux de pérovskite des pics d'absorption dans le visible ou le proche-UV selon la molécule étudiée, correspondant aux états électroniques confinés dans les feuillets MX4. Ce confinement est d'autant plus fort que les constantes diélectriques des 2 types de feuillets sont très différentes. Par conséquent, l'énergie de liaison de l'exciton dans les pérovskites est particulièrement grande : de l'ordre de 300 meV (320 meV dans (C6H5C2H4NH3)2PbI4 [2, 4]) et l'extension spatiale de l'exciton est de l'ordre de grandeur de l'épaisseur de la feuille de MX4, c'est-à-dire de l'ordre du nanomètre (1.7nm pour (C6H5C2H4NH3)2PbI4)).
Une propriété intéressante des pérovskites est que l'énergie de l'exciton peut être variée facilement en jouant sur la nature des ions métalliques ou halogénures incorporés dans la molécule ainsi que sur la longueur de la chaîne carbonée. Par exemple, nous avons synthétisé, en collaboration avec le PPSM, une dizaine de pérovskites différentes, qui couvrent une large gamme du spectre visible (2 eV) - proche UV (3,65 eV) (figure 3) [5].
Figure 3: Spectres d'absorption de couches composées des différentes pérovskites synthétisées au LPQM et au PPSM
Une couche de pérovskite (C6H5CH2CH2NH3)2PbI4 (émettant à 524nm) est déposée sur un miroir diélectrique M1, la largeur de la microcavité est ajustée par dépôt d'une couche de PMMA d'épaisseur contrôlée, la cavité est fermée par un miroir M2 d'argent (figure 1). Les dépôts métalliques d'argent ont été réalisés au LPQM. La microcavité ainsi obtenue a tout d'abord été étudié par spectroscopie de réflectivité résolue en angle (figure 4). La variation de l'angle d'incidence permet en effet d'ajuster l'énergie du mode de la cavité avec l'énergie de l'exciton des pérovskites. Ces expériences ont permis de mettre en évidence le couplage fort entre le mode de la cavité et l'exciton des pérovskites.
Figure 4: Spectres de réflectivité de la microcavité contenant une couche de nanocristaux de pérovskites, pour différentes valeur de l'angle d'incidence.
Figure 5: Simulation (traits pleins), points expérimentaux (carrés)
Le couplage fort a également été observé en émission à l'aide d'expériences de photoluminescence résolues en angle, le tout à température ambiante [7, 8, 9, 10].
IV- Microcavité hybride
Prenons une microcavité à base d'un semiconducteur inorganique, Agranovich et al. proposent d'y ajouter une couche mince d'un matériau organique dont l'exciton est en énergie légèrement en dessous de l'exciton du semiconducteur inorganique. Le diagramme d'anticroisement attendu est présenté ci-dessous, l'exciton du semiconducteur inorganique est qualifié sur ce diagramme de "Wannier-Mott" alors que l'exciton du matériau organique est qualifié de "Frenkel".