Description du sujet de thèse

Ce travail vise à concevoir et à réaliser des micro-lasers polaritoniques à base de pérovskites halogénées (par exemple de type CsPbBr3) dont les propriétés optiques sont contrôlées par micro-nanostructuration du milieu actif et de son environnement. Grâce aux structures de type cristaux photoniques ou métasurfaces, une ingénierie photonique basée sur la manipulation des résonances photoniques de type BIC (Bound States in the Continuum en anglais) et le couplage fort avec les excitons de pérovskite sera exploitée et mise en œuvre. Un premier objectif sera la réalisation d’un µ-laser polaritonique de pérovskite, pompé optiquement, avec un contrôle à la demande de la directivité et/ou de la texture de polarisation du faisceau. Un second objectif sera la mise en œuvre d’un contrôle électrique sur un micro-laser polaritonique sous pompage optique. Dans cette configuration de « dual pumping », l’injection électrique aura pour but de déclencher la relaxation stimulée des polaritons dans le dispositif dont l’état fondamental polaritonique est déjà pré-peuplé par le pompage optique. Les travaux réalisés au cours de cette thèse devraient permettre à terme d’atteindre le Graal de cette thématique de recherche, à savoir la réalisation de micro-diodes lasers (à injection électrique) nanostructurées à ultra-basse consommation et aux fonctionnalités photoniques finement contrôlées.
Verrous scientifiques : Cette thèse vise à surmonter deux défis majeurs. Premièrement, elle ambitionne de générer des fonctionnalités photoniques avancées (telles que le contrôle spatial, angulaire et de polarisation), en exploitant les résonances optiques de structures périodiques au sein des pérovskites, des matériaux émergents prometteurs. L'équipe i-Lum possède déjà une expertise dans la conception et la fabrication de métasurfaces à base de pérovskites halogénées hybrides organique-inorganique, ayant notamment réussi à produire une émission laser à directivité contrôlée par pompage optique. Pour le premier objectif de la thèse, il est essentiel d'élargir les principes photoniques et d'innover dans la fabrication de métasurfaces pour les pérovskites entièrement inorganiques, qui représentent les candidats privilégiés pour les lasers à polaritons à base de pérovskites.
Deuxièmement, les conceptions photoniques envisagées devront intégrer à la fois les propriétés électro-optiques spécifiques de ces matériaux et les défis technologiques associés à l'intégration de l'injection électrique dans les architectures de pérovskites halogénées. Les recherches préliminaires menées par l'équipe i-Lum ont déjà prouvé la faisabilité de créer des µ-LEDs nanostructurées en pérovskite, une avancée qui servira de base pour le développement d'un laser à polaritons contrôlé électriquement.
Contributions originales attendues : Les dispositifs polaritoniques, basés sur le régime de couplage fort lumière-matière, est un sujet de recherche contemporain à la fois sur la physique fondamentale et les applications en optoélectronique et télécommunication. La réalisation de µ-lasers polaritonique avec un contrôle à la fois spatial, angulaire et polarisation n’a jamais été démontré. L’intégration de structures nanophotonique sur de tels dispositifs en pérovskites halogénées est en effet très rare et encore aux prémices sur le plan international, et la maîtrise de l’INL sur métasurfaces réalisées à base de tels matériaux est unique en France. Le contrôle électrique dans tels dispositifs ouvra la voie aux dispositif polaritonique sous contrôle tout-électrique.
Programme de recherche et démarche scientifique proposée : Après une phase de prise en main des outils et méthodologies (simulation électromagnétique, réalisation de couches minces en pérovskites halogénées, micro-nanostructuration, caractérisation optique), le travail sera mené selon les deux axes suivants :
-Axe 1 (années 1 et 2) : Conception et réalisation de micro-lasers polaritoniques à pérovskite avec un pompage entièrement optique. Les structures cibleront une émission à haute directivité dotée d'une polarisation de type faisceau vortex vectoriel ou de polarisation circulaire.
-Axe 2 (années 2 et 3) : Conception et réalisation de micro-lasers polaritonique avec un contrôle électrique. Ce volet de l’étude nécessitera la mise en œuvre de l’injection électrique du milieu actif, sur la base des travaux initiés en 2021 dans le cadre du projet ANR EMIPERO pour une émission dans le vert.

Le candidat doit avoir des bases solides de science des matériaux, physique des semiconducteurs et nanophotonique. Il/elle doit aussi avoir des connaissances de technologie couches minces, et/ou micro-nanotechnologie, avec la motivation pour les travaux technologiques, expérimentaux, et de simulation.

Contexte de travail

Le.la doctorant.e sera intégré.e au sein de l’équipe i-Lum, Ingénierie et Conversion de Lumière de l’INL, et travaillera essentiellement sur le site ECL du Laboratoire, le travail technologique étant réalisé sur la plateforme Nanolyon. Des collaborations avec les partenaires du projet ANR EMIPERO (2018-2022), LUMIN (Paris Saclay) et XLIM (Limoges) sont envisagées.

L’Institut des Nanotechnologies de Lyon (INL) a pour vocation de développer des recherches technologiques multidisciplinaires dans le domaine des micro et nanotechnologies et de leurs applications. Les recherches menées s’étendent des matériaux aux systèmes. Le laboratoire s’appuie sur la plate-forme technologique lyonnaise NanoLyon.
Les domaines d’application couvrent de grands secteurs économiques : l’industrie des semiconducteurs, les technologies de l’information, les technologies du vivant et de la santé, l’énergie et l’environnement.
Le laboratoire est multi-sites avec des localisations sur les campus d’Ecully et de Lyon-Tech La Doua. Il regroupe environ 200 personnes dont 121 personnels permanents. L’INL est un acteur majeur du Pôle de Recherche et d’Enseignement.
Ce poste se situe dans un environnement innovant, à la pointe des technologies du futur, dans des secteurs stratégiques applicatifs.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.