Extraction de la lumière par des nanoparticules métalliques enterrées dans des films minces

par Anthony Jouanin

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Philippe Lalanne.

Soutenue le 24-07-2014

à Palaiseau, Institut d'optique théorique et appliquée , dans le cadre de Ecole doctorale Ondes et Matière (1998-2015 ; Orsay, Essonne) , en partenariat avec Laboratoire Charles Fabry / Naphel (laboratoire) .

Le président du jury était Riad Haïdar.

Le jury était composé de Thierry Toupance, Jean-François Guillemoles, Guillaume Lecamp.

Les rapporteurs étaient Antoine Moreau, Yann Boucher.


  • Résumé

    L’essor des procédés de micro et nano-fabrications rend aujourd’hui accessible la synthèse contrôlée de nanoparticules métalliques (typiquement de 3 à 200nm) offrant de larges résonances d’absorption et de diffusion dont les fréquences peuvent être contrôlées finement en variant judicieusement leur géométrie et leur composition. Dans ce travail de thèse relevant de l’électrodynamique classique établit par Maxwell, nous étudions numériquement l’intérêt de ces particules pour la problématique du (dé)couplage de la lumière piégée dans un film mince diélectrique - une géométrie de référence permettant de rendre compte du phénomène de piégeage qui limite considérablement l’efficacité de dispositifs électroluminescents et de certaines cellules solaires. Pour ce faire, nous proposons quelques règles de conception de nanoparticules capables d’extraire efficacement la lumière piégée. Pour un émetteur seul, environ 20% de la lumière émise est rayonnée hors du guide (rad~0.2). L’ajout d’une monocouche (~50nm d’épaisseur) composée d’un ensemble de particules « optimisées » et aléatoirement positionnées autour de l’émetteur permet d’accroître cette efficacité jusqu’à 70% en moyenne statistique sur le désordre. D’intéressants effets de cohérences liés à la nature du désordre au sein de ladite couche sont également mis en évidence.

  • Titre traduit

    Light extraction in dielectric thin-films using embedded metallic nanoparticles


  • Résumé

    Metallic nanoparticles (MNps) exhibit strong plasmonic resonances in their absorption and scattering spectra. Recent advances in micro- and nano-fabrication processes allow scientists to control the particle shape; and thus to tune these resonances on the visible and near-IR spectrum - opening unprecedented applications ranging from imaging techniques to solar cells improvement. In the present work, we numerically investigate the capacity of MNps to (de)couple the light that is confined in guided modes of dielectric thin films—a relevant system to analyze, understand and reduce the light trapping phenomenon that strongly lowers the efficiency of some electroluminescent devices. To this end, we propose, by the control of its polarization state, to optimize the quantity of light that a nanoparticle extracts during a scattering event. For a sole source embedded in the guide, barely 20% of the light is extracted (rad~0.2). The addition of an ultra-thin layer composed of hundreds of randomly deposited engineered-nanoparticles shows promising results with rad ~0.7 (in realistic configurations). Interesting coherence effects arising from the randomness of the disorder are also evidenced.


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