la nanotechnologie et l’éclairage
TRANSCRIPT
La La nanotechnologienanotechnologie et et ll’é’éclairageclairage
G. Lérondel
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
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ContexteContexte
LEDsLEDs
Production dProduction d’é’énergienergie
Stockage (Batterie)Stockage (Batterie)
Cellules photovoltaCellules photovoltaïïquesques
PhotodPhotodéétecteurstecteurs
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LEDsLEDsWhite
GaAsP:Matériau à GAP indirect
2005
M. Georges Craford MRS Bulletin Octobre 2000
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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%
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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)
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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
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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
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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
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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)
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PlasmoniquePlasmonique pour pour OLEDsOLEDs
AccordabilitAccordabilitéé ……
structure MIMstructure MIM
Feng et al. Appl. Phys. Lett. 90, 081106 (2007)
Métal
MétalIsolant
MMééthodesthodesdede
structurationstructurationetet
caractcaractéérisationrisation
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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
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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)
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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)
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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
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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