La La nanotechnologienanotechnologie et et ll’é’éclairageclairage

G. Lérondel

(lerondel@utt.fr)

Laboratoire de Nanotechnologies et d’Instrumentation Optique (LNIO)Institut Charles Delaunay

(FRE 2848)

Eclairage 2007, Troyes, 26-27 Juin 2007

2

Location : Location : citycity ofof Troyes Troyes

« Apôtres »

14th century Stain glasses

Province name : « Champagne »

Timbered houses

History…

… Science and technology

Birth city of pope Urban IV

3

ContexteContexte

LEDsLEDs

Production dProduction d’é’énergienergie

Stockage (Batterie)Stockage (Batterie)

Cellules photovoltaCellules photovoltaïïquesques

PhotodPhotodéétecteurstecteurs

4

LEDsLEDsWhite

GaAsP:Matériau à GAP indirect

2005

M. Georges Craford MRS Bulletin Octobre 2000

5

VerrousVerrous

EfficacitEfficacitéé

ExtractionExtraction

Combien, comment et quels photons sont Combien, comment et quels photons sont éémismis

Solutions Solutions …… Nanotechnologie Nanotechnologie

ElectroniqueElectronique (mat (matéériaux, ingriaux, ingéénierie de bande e-)nierie de bande e-)

PhotoniquePhotonique

PlasmoniquePlasmonique

(Structuration) (Structuration)

type p

type nh+

e-

d~qq nm

photons

6

VerrouVerrou

RRééflexion totale interne flexion totale interne ……faible extractionfaible extraction

n

Fresnel

sin C = 1/n, C (n=3.5) ~ 17°

C=2 (1-cos C) ~ /2 n2

~ 2% 4% si 100% d’EQVERRE (OLED) ~ 13%

7

Solutions Solutions «« actuellesactuelles »»Optique gOptique gééomoméétriquetrique

EncapsulationEncapsulation

Couche mCouche méétalliquetallique

Couches antirefletsCouches antireflets

MiniaturisationMiniaturisation

ContrContrôôle complet de lle complet de l’é’émission :mission :

efficacitefficacitéé quantique et diagramme d quantique et diagramme d’é’émissionmission

Micro-optiqueMicro-optique

MicroprismeMicroprisme : recyclage : recyclage

RugositRugositéé ( ( << longueur d << longueur d’’onde)onde)

RR00=R=RSS + D + D

Forte RugositForte Rugositéé

Modification de la zone activeModification de la zone active

EfficacitEfficacitéé

Volume (Volume (éépaisseur) paisseur) Injection de Injection deporteursporteurs

M. R. Krames et al. Appl. Phys. Lett. 75 p2365

1999

Cas du Silicium G. Lérondel et al. JAP 81 p6171 1997

PhotoniquePhotonique

Outrepasser FresnelOutrepasser Fresnel

9

Photonique :Photonique :contrcontrôôle de la lumile de la lumièèrere……

…… Par des interf Par des interféérencesrences

1D : Miroirs di1D : Miroirs diéélectriques R > 99.9% > rlectriques R > 99.9% > rééflectivitflectivitéé d d’’unun

mméétal bien que constitutal bien que constituéé de mat de matéériaux transparentsriaux transparents

2D : Coude avec T > 98%2D : Coude avec T > 98%

3D : 3D : SupressionSupression globale des modes globale des modes éémission stimulmission stimulééee

sans seuilsans seuil

RRééfraction nfraction néégative, super rgative, super rééfractionfraction

10

PrincipePrincipe

Modulation Modulation àà 3D d 3D d’’

En

ergi

e

Inhibition

E. E. YablonovitvhYablonovitvh J.PhysJ.Phys.: .: CondensCondens. Matter . Matter 55 2443-2460 (1993) 2443-2460 (1993)

)()/2(2EVw h=

Taux d’émission spontanée, w

11

Redistribution Redistribution complcomplèètete de de ll’é’énergienergie dansdans des modes des modes

““utilesutiles””

2.5D2.5D

guide guide dd’’ondeonde + + structurationstructuration dansdans le plan le plan + + ddééfautfaut

Configuration standard pour une couche émettrice sur un

substrat transparent, situation d’autant plus complexe que h estélévée (cf. l’exemple du GaN) …

IntIntéérrêêt des PC pour les LEDst des PC pour les LEDs

nC

nsub

nC

nsub

nsub

h

12

PC appliquPC appliquéés au LEDss au LEDs

Quasi cristaux photoniquesQuasi cristaux photoniques

GaNGaN

Situation complexe (H. Situation complexe (H. BenistyBenisty))

A. A. Erchak, et al. “Enhanced coupling to vertical radiation using a 2D Photonic Crystal ina semiconductor LED”, Appl. Phys. Lett. 78, 5, 2001, Pg 563

83% d’efficacité d’extractionPHatLightTM Luminus

13

Laser Laser àà PC PCDiminution du seuil Diminution du seuil ……cavitcavitéé (Q/V) (Q/V)

Cas du Cas du ZnOZnO : Laser UV : Laser UV

Désordre

Mesolaser PC (2004)

X. Wu Appl. Phys. Lett.

85 3657 (2004)

14

PC PC ZnOZnO UTT - UTT - NanovationNanovation

De la structuration naturelle De la structuration naturelle àà la structuration contr la structuration contrôôllééee

Post doctorat L. Divay UTT-Nanovation

2D PC, FIB Thales

370 380 390 400 410 420 430

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

157142

128117

10798

9184

7872

6355

49

Intensité de pompe(kW/cm?)

(nm)

Inte

nsité d

'ém

issio

n

Emission

excitonique

Emission plasma

Topographie AFM

Confinement excitonique

15

RandomRandom Laser Laser

D. Wiesrma, Nature 406, p132 (2000)

16

RandomRandom lasinglasingFilms Films nanostructurnanostructurééss de de ZnOZnO

L. Miao et al., Surf. Sci. (2007)

17

NanofilsNanofils

Films minces de Films minces de nanofilsnanofils de de ZnOZnO EmissionEmission coupl couplééee……

PCPC

UCSD et Uni. Pékin Nanoletters (2006)

18

Bilan photoniqueBilan photonique

ContrContrôôle complet du diagramme dle complet du diagramme d’é’émissionmission

LASER LASER ……

LASER UV en combinaison avec des phosphoresLASER UV en combinaison avec des phosphores

PlasmoniquePlasmonique

PlasmoniquePlasmonique active active

http://www.plasmonanodevices.orghttp://www.plasmonanodevices.org

PLEASPLEAS

20

PlasmonsPlasmons de surfaces de surfaces

Onde de surfaceOnde de surface((polaritonpolariton))

IntIntéérrêêt : (bio)capteurt : (bio)capteur

Transmission extraordinaireTransmission extraordinaire

métal

diélectrique

W. L. Barnes J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 8 (2006) S87

T. W. Ebbesen Nature 8 (1998)

Ouverture sub lambda

(d~ 150nm)

E

21

PlasmonsPlasmons de surfaces pour LEDs de surfaces pour LEDs

Meilleure dMeilleure d’’extractionextraction

Meilleure Meilleure directionnalitdirectionnalitéé

Absorption reste faible et injection Absorption reste faible et injection éélectriquelectrique

prprééservservééee

Couches perforCouches perforééeses

EtudeEtude du couplage du couplage plasmonplasmon –– particules quantiques particules quantiques

Thèse P. Viste UTT

22

Composants actifs Composants actifs àà plasmonsplasmonsMesa (VECSEL) Mesa (VECSEL) nanosourcenanosource de lumi de lumièèrere

Diaphragme mDiaphragme méétallique nanomtallique nanoméétriquetrique

Spot 70 x 240 nm Spot 70 x 240 nm ~ ~ /10 (850nm)/10 (850nm)

Tranche dTranche d’’une diode laserune diode laser

Tokyo Inst. of Tech. IEEE 20th ISLConf., p.101 (2006)

Harvard Appl. Phys. Lett. 89 093120 (2006)

23

PlasmoniquePlasmonique pour pour OLEDsOLEDs

AccordabilitAccordabilitéé ……

structure MIMstructure MIM

Feng et al. Appl. Phys. Lett. 90, 081106 (2007)

Métal

MétalIsolant

MMééthodesthodesdede

structurationstructurationetet

caractcaractéérisationrisation

25

StructurationStructuration

Croissance Croissance auto-organisauto-organisééee

GravureGravure

MasquageMasquage……

EbeamEbeam et FIB parfait pour la r et FIB parfait pour la rééalisation de structuresalisation de structuresdd’é’études (tests)tudes (tests)

Lithographie DUVLithographie DUV

ImprintImprint

Holographie pour les structures pHolographie pour les structures péériodiquesriodiques

Gravure directe pour des matGravure directe pour des matéériaux photosensiblesriaux photosensibles

Kim, D-H et al., Appl. Phys. Lett. 87 , 2005, p203508

26

CaractCaractéérisationrisation

Microscopie par pertesMicroscopie par pertes

RRéésolution solution ~ ~ /2/2

AFMAFM

SNOMSNOM

CaractCaractéérisation de la lumirisation de la lumièère confinre confinéée dans lee dans le

matmatéériau ou la structure (partie invisible)riau ou la structure (partie invisible)

27

1250 1252 1254 1256 1258 1260 1262 1264 1266 1268 1270 1272 1274 1276 1278 1280

wavelength (nm)

6 mA

5 mA

4 mA

S34_BI_51 diamètre 6 m

Oxyde

modes

Cavity

modes

Composants actifs : VECSELComposants actifs : VECSELMicroscopie et SpectroscopieMicroscopie et Spectroscopie

Optique de champ procheOptique de champ proche

1247.3 nm

Coll. CEA/LETI – LNIO thèses E. Pougeoise (CEA) et J. S. Bouillard (UTT)

28

ComposantsComposants passifspassifs::CartographieCartographie de champ de champ complexecomplexe

Amplitude Phase30x30 m2

Topography

Thèse Ilan Stefanon UTTOptics express 20, p.2117, 2005

r : 9%

transmission ratio: 8/9Insertion losses (intensity) : 1.3 dB @ 1.55 µm

Modes guidés

29

Conclusion et perspectivesConclusion et perspectives

La photonique et la La photonique et la plasmoniqueplasmonique ont d ont dééjjàà fait leur apparition dans des composants fait leur apparition dans des composantscommerciauxcommerciaux…… PHatLightPHatLightTMTM ( (éécran plat), Panasonic (Capteur CCD, VECSEL)cran plat), Panasonic (Capteur CCD, VECSEL)

La majeure partie des propriLa majeure partie des propriééttéés reste s reste àà êêtre exploittre exploitéée e ……

future brillantfuture brillant

Efforts actuels au niveau europEfforts actuels au niveau europééenen

Consortium PLEAS : Consortium PLEAS : PLPLasmonicsasmonics EEnhnhAAncednced photonicphotonicSSAmAméélioration des performances des technologies existanteslioration des performances des technologies existantes

Nouvelles fonctionnalitNouvelles fonctionnalitéés = bonuss = bonus

Surfaces lumineuses Surfaces lumineuses Capteurs (bio)chimiques, traitement des eauxCapteurs (bio)chimiques, traitement des eaux……

BibliographieBibliographie

Documents de synthDocuments de synthèèse de lse de l’’OMNTOMNT

http://http://www.omnt.frwww.omnt.fr//index.phpindex.phpPlasmoniquePlasmonique, VECSEL, LEDs, VECSEL, LEDs……

Remerciements : D. Rogers et L. Remerciements : D. Rogers et L. DivayDivay et membres du LNIO et membres du LNIO