Nanophotonique, Spectroscopie et Matériaux

 Le thème Nanophotonique, Spectroscopie et Materiaux regroupe 5 sujets de recherche:

• Ingénierie moléculaire et des matériaux pour l'optique non-linéaire;
• Microscopie par imagerie des temps de vie du fluorescence;
• Propriétés optiques des perovksites hybride; [page dédiée]
• Propriétés optiques des matériaux carbonés sp²; [page dédiée]
• Lévitation optique de nanoparticules dans le vide. [page dédiée]

Ingénierie moléculaire et des matériaux pour l'optique non-linéaire;

Responsable scientifique : Pr I. Ledoux-Rak

Cette activité de recherche vise à caractériser et optimiser les propriétés optiques non-linéaires des molécules et des matériaux. Elle s'appuie sur une approche multi-échelles allant de la molécule à l'échelle macroscopique.
Une attention particulière est portée aux nano-objects et à leurs incorporations dans diverses matrices afin d'obtenir de nouveau matériaux hybrides et multifonctionnels. L'équipe a en particulier développé deux outils exploratoires permettant de sonder la réponse non-linéaire quadratique de molécules et de nanoparticules en solution :  Electric-Field Induced Second Harmonic Generation (EFISH) et Harmonic Light Scattering (HLS) avec différentes polarisations incidentes et  à des longueurs d'onde de 1,06 et 1,9 μm. Cette dernière longueur d'onde étant particulièrement adapté  pour les matériaux et les molécules absorbant dans le visible.

Microscopie par imagerie des temps de vie du fluorescence (FLIM);

Responsable scientifique : Pr R. Pansu.

Le phénomène de luminescence est parfaitement maîtrisé en solution mais la luminescence en phase solide reste un enjeu scientifique important avec de nombreux points obscurs et de nouvelles familles de matériaux luminescents qui sont régulièrement découverts (boites quantiques, pérovskites...). Afin d'étudier cette luminescence à l'état solide, nous avons développé une instrumentation complète d'imagerie de fluorescence (durée de vie, polarisation, spectre d'émission, efficacité) : FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy). Ce dispositif expérimental fait partie des plates-formes de l'Institut D’Alembert. En collaboration avec Photonscore GmbH, nous avons choisi une technologie unique en France qui combine sensibilité, vitesse et résolution. Il s'agit, à notre connaissance, du dispositif vidéo FLIM le plus rapide du marché. De plus, nous avons développé un dispositif microfluidique qui fournit une image riche où chaque position correspond à un temps de réaction. Le dispositif microfluidique permet d'obtenir différents modes de cristallisation : séparation liquide / phase liquide (modèle en deux étapes) ou nucléation des cristaux (modèle classique de Gibbs). En focalisant un laser dans le dispositif, nous induisons et observons les premières étapes de la nucléation.

Propriétés optiques des perovksites hybride;

Responsables scientifiques : Pr E. Deleporte, Pr C. Mayer et Dr G. Allard-Trippé.

Récemment, les pérovskites organiques hybrides (HOP) de formule chimique CH₃NH₃PbX₃ (appelées HOP 3D) représentent une avancé majeur en science des matériaux, notamment pour le photovoltaïque.  En plusieurs années, le rendement des cellules solaires à base de HOP est passé de 12 % à 25,2 % en 2019. Ce matériau convient également aux dispositifs émetteurs de lumière : des LED à base de pérovskite sont développées, l'effet laser est démontré à température ambiante, ouvrant la voie aux lasers à base de HOP, potentiellement injectés électriquement en raison des bonnes propriétés de transport des HOP. De plus, d'autres types de HOP existent, comme les pérovskites multicouches bidimensionnelles, qui présentent des propriétés excitoniques intéressantes et une meilleure stabilité chimique que les HOP 3D. Ces HOPs sont maintenant considérés comme une nouvelle classe de semi-conducteurs ayant des propriétés étonnantes mais encore à explorer. Le groupe a une expérience de 16 ans sur les propriétés optiques des HOPs et des cristaux photoniques tels que les microcavités verticales contenant ces HOPs. Le groupe a récemment obtenu un effet laser dans de telles cavités. Les matériaux et les cavités sont étudiés par microphotoluminescence (PL), PL à résolution temporelle, excitation PL, spectroscopie femtoseconde pompe-sonde, en fonction de la température. Plus de détails sont disponibles sur la page dédiée.

Propriétés optiques des matériaux carbonés sp²;

Responsables scientifiques : Pr. JS Lauret et Loïc Rondin

Le graphène a su s'imposer aux yeux de tous comme un matériau aux propriétés uniques, avec notamment une très grande mobilité des porteurs de charge. Cependant le graphène, contrairement au matériaux semi-conducteurs, ne possède pas de bande d'énergie interdite (gap). Cela limite fortement son usage en électronique numérique ou comme composant optoélectronique, notamment comme émetteur ou détecteur de lumière. Un challenge majeur, autour de ce matériau réside donc dans l'ingénierie de ses propriétés optiques, électroniques et magnétique, avec en particulier l'objectif d'ouvrir d'une bande d'énergie interdite suffisamment importante pour adresser les applications citées précédemment.

Une approche, suivie depuis des années par l'équipe, repose sur la réduction de la dimensionnalité du graphène. En réduisant une dimension on obtient ainsi des nanotubes de carbone ou des nano-rubans de graphène, en en réduisant deux, on obtient des boites quantiques de graphène. Tous ces systèmes constituants des objets fascinants d'étude pour notre équipe. Nos travaux sont basés sur une expérience de près de vingt ans sur les nanotubes de carbones, qui nous ont permis de comprendre de nombreuses propriétés de ces objets. Il reste néanmoins de nombreuses questions à adresser, et les progrès incroyables dans la fabrication de nano-structure carbonées par des approches de chimie bottom-up laisse entrevoir un incroyable contrôle sur leur structure, et donc potentiellement leurs propriétés. Cet apport devrait permettre d'étendre fortement l'impact de ces objets d'un point de vue fondamentale autant qu’applicatif.  Plus de détails sur la page dédiée.

Lévitation optique de nanoparticules dans le vide

Responsables scientifiques : Loïc Rondin

L'utilisation de pinces optiques  pour faire léviter des particules dans le vide, permet de s'affranchir du lien avec l'environement, offrant une plateforme au niveau de contrôle unique. Cett approche ouvre ainsi la voie à l'étude d'effets quantiques aux échelles macroscopiques, à la mesure de force  de très faible amplitudes, ou encore à l'étude de la thermondynamique aux échelles nanos.

Plus d'informations sont disponibles sur la page dédiée.