Sources de lumière infrarouge à base de dispositifs de matériaux 2D et nano-antennes plasmoniques uniques.

Infrared light sources based on 2D-materials devices and single plasmonic antennas.

• Auteur / Autrice : Sylvio Rossetti
• Direction : Yannick De Wilde, Patrick Bouchon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/07/2025
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Langevin-Ondes et images (Paris ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : ESPCI Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris (PSL)
• Partenaire(s) de recherche : établissement public à caractère industriel et commercial (EPIC) : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Optique et Techniques Associées (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Béatrice Dagens
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yannick De Wilde, Patrick Bouchon, Alexandre Baron, Guillaume Cassabois, Karl Joulain, Angela Vasanelli, Riccardo Messina
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexandre Baron, Guillaume Cassabois

Mots clés

Mots clés libres

Graphène

IR moyen

Plasmonique

Antennes

Champ proche

Snom

Graphene

Mid-IR

Plasmonics

Antennas

Near-Field

Snom

Résumé

Les interactions lumière-matière dans les gammes infrarouges moyenne et lointaine représentent un défi d'ampleur de par leurs liens avec une meilleure gestion de l’énergie, plus que nécessaire de nos jours. Du refroidissement radiatif à l’amélioration des performances des panneaux photovoltaïques, la compréhension, la maîtrise et l’optimisation des phénomènes relatifs à ces technologies offrent autant d’opportunités que d’interrogations. Ce travail vise ainsi à approfondir les connaissances sur l’émission de lumière par des dispositifs à petite échelle, sub-longueur d’onde ou à base de matériaux 2D. De par l’équivalence entre les propriétés d’absorption et d’émission des corps, ce travail se situe donc à l’intersection entre la conception de nouvelles sources infrarouges, et l’approfondissement de notre maîtrise de l’absorption de rayonnement par les objets.Dans un premier temps, nous cherchons à parfaire la compréhension du comportement des méta-surfaces infrarouges, généralement organisées en réseau, en étudiant les propriétés d’une particule unique. Pour cela, nous utilisons des méthodes de détection de signal extrêmement sensible, nous permettant de mesurer l’émission thermique d’un seul objet sub-longueur d’onde alors même qu’il est noyé dans le rayonnement thermique infrarouge ambiant (spectroscopie infrarouge par modulation spatiale, IR-SMS), ou encore de sonder leur réponse à une échelle fortement sub-longueur d’onde (microscopie optique de champ proche à balayage, SNOM). Nos travaux font émerger l’importance du couplage en champ proche se produisant entre une antenne cylindrique en or déposée sur un substrat polaire. En particulier, ce couplage vient modifier drastiquement les caractéristiques spectrales d’émission de l’antenne ou du substrat considérés séparément, faisant de l’ensemble un émetteur thermique temporellement cohérent, ce qui s’explique par l’existence d’ondes électromagnétiques de surface confinées à l’interface entre les matériaux polaires comme le carbure de silicium ou le quartz, et l’air. En dehors de la bande spectrale d’existence de telles ondes, les antennes d’or présentent une section efficace d’extinction négative, ce qui n’a jamais été rapporté expérimentalement à notre connaissance.Dans un second temps, ce travail décrit les observations faites sur des transistors à effet de champ à base graphène haute qualité (HGFET). Nous mettons en évidence l’apparition d’un régime d’émission infrarouge électroluminescente lié au pompage des électrons du graphène dans un état fortement hors-équilibre grâce notamment à l’effet tunnel de Zener-Klein. Ce régime d’électroluminescence se manifeste par l’excitation de modes électromagnétiques dans le matériau encapsulant le graphène des transistors, le nitrure de bore hexagonal, où ils sont confinés, rendant leur détection en champ lointain inaccessible. L’expérience IR-SMS permet toutefois de détecter et caractériser ces ondes suite à leur diffusion par des discontinuités dans la structure, permettant de confirmer expérimentalement leur caractère électroluminescent. Nous montrons ensuite que ces modes représentent une infime partie de l’énergie émise par le graphène, et qu’ils s’accompagnent d’un transfert très efficace d’énergie vers le substrat, dépassant de plusieurs ordres de grandeurs les capacités de refroidissement des dispositifs électroluminescents usuels, comme les LED.

The subject of light-matter interactions in the mid- and far-infrared ranges is of particular significance due to its association with enhanced energy management, a necessity that is particularly pressing in the present age. The comprehension, control and enhancement of phenomena associated with these technologies present both opportunities and challenges, ranging from radiative cooling to the improvement of photovoltaic panel performance. The objective of this study is to broaden our understanding of light emission by small-scale, sub-wavelength devices or devices based on 2D materials. Due to the equivalence between the absorption and emission properties of bodies, this work is situated at the intersection of two fields: the design of new infrared sources and the advancement of knowledge pertaining to the absorption of radiation by objects.The primary objective of this study is to enhance our comprehension of the behaviour exhibited by infrared meta-surfaces, which are typically arranged in a network configuration, through the analysis of the properties exhibited by a single particle. In order to accomplish this objective, we are utilising two highly sensitive signal detection methodologies, thus empowering us to measure the thermal emission of a solitary sub-wavelength object while it is embedded within the ambient infrared thermal radiation (spatially-modulated infrared spectroscopy, IR-SMS), or to probe its response on a very sub-wavelength scale (scanning near-field optical microscopy, SNOM). The present study underscores the significance of the near-field coupling that transpires between a cylindrical gold antenna deposited on a polar substrate. This coupling significantly alters the spectral emission characteristics of the antenna or substrate when considered separately, resulting in the assembly becoming a temporally coherent thermal emitter. This phenomenon can be attributed to the presence of surface electromagnetic waves confined to the interface between polar materials, such as silicon carbide or quartz, and air. In the spectral band in which such waves exist, gold antennae have been observed to exhibit a negative effective extinction cross-section. This phenomenon has not been reported in experimental studies to our knowledge.Secondly, this work describes the observations made on high-quality graphene field-effect transistors (HGFETs). We demonstrate the appearance of an electroluminescent infrared emission regime linked to the pumping of graphene electrons into a highly non-equilibrium state, thanks in particular to the Zener-Klein tunneling effect. This electroluminescence regime is manifested by the excitation of electromagnetic modes in the material encapsulating the graphene of transistors, hexagonal boron nitride, where they are confined, making their detection in the far field inaccessible. However, the IR-SMS experiment enabled us to detect and characterise these waves following their scattering by discontinuities in the structure, enabling us to experimentally confirm their electroluminescent nature. We then show that these modes represent a tiny fraction of the energy emitted by graphene, and that they are accompanied by a very efficient transfer of energy to the substrate, exceeding by several orders of magnitude the cooling capacities of conventional electroluminescent devices such as LEDs.