Couplage entre émetteurs organiques et antennes optiques : perspectives pour l'éclairage et la signalisation automobile

Coupling between organic emitters and optical antennas : prospects for automotive lighting and signalling

• Auteur / Autrice : Faten Ben Chaabane
• Direction : Béatrice Dagens
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et photonique
• Date : Soutenance le 11/12/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Jury : Président / Présidente : Agnès Maître
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Izard, Azzedine Boudrioua, Raffaele Colombelli, Laetitia Pradere
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Izard, Azzedine Boudrioua

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Diodes électroluminescentes organiques

Superradiance

Mots clés libres

Milieu actif nonlinéaire

Superradiance

LED organiques

Etats collectives

Couplage fort

Nonlinear active media

Superradiance

Organic LEDs

Collective states

Strong coupling

Résumé

Cette thèse est la première étape dans la conception d’une source de lumière visible cohérente mais non lasante pour des applications d’éclairage et de signalisation automobiles. Dans ce travail, différents aspects théoriques, numériques et expérimentaux ont été abordés. Ainsi, des structures combinant différents émetteurs organiques et des nanoantennes (NP) ont été réalisées et ont permis de démontrer d’une part une exaltation de la luminescence grâce aux résonances plasmons des antennes, et d’autre part, une signature de couplage fort. Aucune suppression d’émission de lumière (quenching) n’a été observée dans nos structures où les NP métalliques sont en contact direct avec la couche organique. Ces résultats sont prédits par la loi de Kirchhoff locale où les molécules de la couche organique sont dans le régime de thermalisation.Un outil de simulation numérique aux éléments finis a été développé pour étudier le couplage entre un milieu dipolaire actif et des nanoantennes plasmoniques dans une structure LED (Light Emitting Diode). Le modèle, dont la validité dépasse le cadre de cette thèse, permet d'inclure la réponse nonlinéaire du milieu dipolaire dans les simulations électromagnétiques effectuées dans le domaine fréquentiel. Enfin, un premier dispositif OLED (Organic LED) a été développé, comme étape préliminaire et incontournable vers une source cohérente étendue. Une suite possible à ces travaux serait d’optimiser l’OLED fabriquée et d’y insérer des nanoantennes, en contact avec la couche organique émettrice, pour la transformer en dispositif émettant de la lumière dans le régime du couplage fort et en présence d’un état collectif.

This thesis is a first step to develop a novel class of coherent but non-lasing light sources in the visible range for automotive lighting and signaling applications. Several theoretical, numerical and experimental aspects have been addressed. Structures combining organic emitters and optical nanoantennas (NPs) have been fabricated to demonstrate, on the one hand, a luminescence enhancement due to the plasmonic resonances of the antennas, and, on the other hand, a signature of strong coupling. Our structures do not suffer from emission quenching despite the fact that the metallic NPs are in direct contact with the organic layer. These results are consistent with the local Kirchhoff law that applies when the molecules of theorganic layer are in the thermalization regime. A finite element model has been developed to study the coupling between an active dipolar medium and plasmonic nanoantennas in a Light Emitting Diode (LED) structure. This model makes it possible to include the nonlinear response of a two-level dipolar active medium in electromagnetic simulations in the frequency domain. Finally, a first OLED (Organic LED) device was also developed, as a preliminary and essential step towards an extended coherent source. A possible follow-up to this work will be to optimize the OLED and insert nanoantennas in its design, so as to transform the structure into a device emitting light in the strong coupling regime and in the presence of a collective state.