Description du sujet de thèse

Dispositifs spintroniques et optoélectroniques dans des hétérostructures bidimensionnelles hybrides : du contrôle du spin à l’exploration des régimes collectifs de luminescence

Les matériaux bidimensionnels (2D), en particulier les dichalcogénures de métaux de transition (TMDC) et le nitrure de bore hexagonal (hBN), ont profondément transformé la physique des matériaux et l’optoélectronique depuis leur émergence. Leur épaisseur atomique, leur forte interaction spin-orbite, l’absence de centre d’inversion de symétrie, ainsi que leur compatibilité avec l’empilement en hétérostructures van der Waals en font des plateformes particulièrement attractives pour l’étude de nouvelles propriétés électroniques, optiques et spintroniques.

Ces caractéristiques ont permis l’émergence d’une nouvelle classe de matériaux artificiels aux propriétés modulables, ouvrant la voie à une large gamme d’applications en électronique, en optoélectronique et en information quantique. Parallèlement, l’ingénierie de défauts dans ces matériaux connaît un essor rapide, avec des applications prometteuses dans la détection, la cryptographie quantique et l’optique quantique en général.

Dans ce contexte, le développement de nouveaux dispositifs spintroniques, valléetroniques (utilisant le spin ou la vallée comme degré de liberté pour transporter l’information) et optiques basés sur des structures 2D repose sur trois axes principaux :
(i) une compréhension fine des propriétés spin-optoélectroniques intrinsèques des matériaux,
(ii) l’étude des mécanismes d’interaction entre les couches dans des hétérostructures innovantes,
(iii) l’exploration des propriétés photophysiques de défauts individuels et de leur modification lorsqu’ils sont organisés en réseaux denses. Ce dernier aspect, dont l'étude est encore très limitée dans les semiconducteurs, ouvre la possibilité d’observer des phénomènes collectifs exotique tels que la superfluorescence.

Ce projet de thèse vise à contribuer à l’exploration de ces trois axes, en s’appuyant sur l’étude d’hétérostructures avancées composées soit exclusivement de TMDCs, soit de structures hybrides intégrant des couches magnétiques, des molécules chirales ou des pérovskites à chiralité structurale. L’un des objectifs initiaux sera de perfectionner les techniques de fabrication de hétérostructures van der de haute qualité. Ces structures serviront ensuite de base pour l’étude des propriétés électroniques, de spin, et d’interaction lumière-matière. Nous étudierons également, de manière complémentaire, les effets collectifs de type superfluorescence dans des réseaux d’émetteurs optiques (défauts du hBN) à géométrie contrôlée, afin d’évaluer leur potentiel pour le contrôle cohérent de l’émission lumineuse.

L’ensemble de ces investigations s’appuiera sur des techniques avancées de spectroscopie optique, incluant des approches multidimensionnelles (résolues en espace, énergie, polarisation, temps) couplées à des capacités de nano-fabrication de précision.

Moyens matériels disponibles :
Plateformes complètes de spectroscopie optique, résolue en temps, espace et polarisation, pour l’analyse des propriétés optiques et de spin des hétérostructures, y compris le transport et la diffusion.

Accès à des installations de pointe pour la fabrication de dispositifs à base de matériaux 2D (plateformes "Exfolab" au LPCNO et "AIME" à l’INSA Toulouse).

Contexte de travail

L’étude des propriétés physiques de nano-objets constitue depuis dix ans environ un domaine de la physique du solide en émergence grâce à l’avènement des techniques de nano-fabrication.

Ce sujet a connu de grandes évolutions liées d’une part à la nature des nano-objets étudiés (multiplication des méthodes d’élaboration, contrôle du matériau et des tailles, …), d’autre part à l’apport des techniques de micro(nano)-électronique et de champ proche optique pour réduire le nombre de nano-objets sondés (au départ des collections d’objets nanométriques désordonnés, puis plus récemment des nano-objets individuels ou des auto-assemblages d’objets réguliers), ouvrant de nouveaux espaces de recherche.

Le but de cette miniaturisation ultime est de créer des objets aux propriétés et fonctionnalités nouvelles qui touchent de nombreux secteurs d’activité tels que la communication et l’information, les transports, la sécurité, la santé, l’environnement …

La tendance actuelle est de privilégier l’étude d’objets individuels ou de nano-objets auto-assemblés dont la méthode d’élaboration garantisse une grande qualité de structure et de l’état de surface.

Les systèmes étudiés concernent les nanoparticules semi-conductrices ou métalliques, les nanotubes, et plus récemment les biomolécules et brins d’ADN.

En bref, le domaine des nano-technologies et des nano-sciences est porteur d’innovations futures qui vont progressivement bouleverser notre environnement et notre société, notamment dans les technologies de l’information et de la communication et dans le domaine du biomédical.

Le LPCNO a ainsi une très forte expérience en :
- spectroscopies optiques
- nanostructuration
- nanomagnétisme
- mesures de transport
- synthèse de nanoparticules
- modélisation moléculaire

Le Laboratoire (LPCNO) regroupe plus de 90 personnels chercheurs, enseignants chercheurs, ITA et étudiants/Post doctorants et se compose de cinq équipes de recherches :
- Nanomagnétisme
- Optoélectronique Quantique
- Nanostructures et Chimie Organométallique
- Nanotech – Responsable
- Modélisation Physique et Chimique