Projet DILEMMA : Fabriquer la lumière directionnelle de demain
Ce projet vise à développer des diodes électroluminescentes (DEL) de lumière ultraviolette (UV) qui seront à la fois directionnelles, très efficaces et pouvant être facilement intégrées dans divers dispositifs. La lumière UV est une forme de lumière invisible à l’œil nu, mais qui joue un rôle crucial dans de nombreuses applications, telles que la stérilisation d’instruments médicaux, la purification de l’eau ou la détection et l’identification de molécules. La source UV sont aussi utilisées pour la fabrication de composants en micro-électronique par lithographie optique.
Les DEL conventionnelles émettent de la lumière dans toutes les directions. Elles pâtissent aussi d’une faible efficacité ce qui limitent leur potentiel pour de nombreuses applications. Améliorer la directivité des DEL ainsi que leur efficacité serait bénéfique pour bons nombres d’applications.
Le projet utilise un matériau appelé AlGaN, un matériau composé d’aluminium, de gallium et d’azote. Ce matériau est particulièrement adapté car il est non toxique et peut émettre de la lumière dans une plage de longueurs d’onde allant de l’UV profond au proche UV. La longueur d’onde d’émission peut être ajustée en modifiant la proportion d’aluminium et de gallium dans le matériau.
Pour réaliser ces sources de lumière, ce projet vise à intégrer des boîtes quantiques d’AlGaN dans des composants optiques nanostructurés, appelés métasurfaces, fabriquées à partir d'AlN (nitrure d’aluminium) ou de GaN (nitrure de gallium). Les boites quantiques se comportent comme des atomes artificiels et émettent de la lumière lorsqu’elles sont excitées par pompage optique (absorption de lumière) ou par pompage électrique (injection d’un courant électrique). Les métasurfaces sont des arrangements planaires de nanostructures. La forme géométrique et l’orientation de ces nanostructures peuvent être ajustées pour contrôler localement la lumière. Les métasurfaces permettent ainsi de faire des composants ultra-fins qui peuvent contrôler les diverses propriétés de la lumière (direction de propagation, intensité, polarisation).
Le fait de coupler des boites quantiques à des métasurfaces permet d’améliorer l’efficacité d’émission ainsi que la directionnalité de la lumière émise par les boîtes quantiques
Pour concevoir ces métasurfaces, il faut d’abord réaliser des simulations numériques. Ces simulations sont réalisées grâce à des outils qui permettent de résoudre numériquement les équations de Maxwell pour déterminer l’interaction de la lumière avec ces composants nanostructurés. Ces simulations permettent ainsi de déterminer l’influence qu’a la métasurface sur l’émission des boîtes quantiques. On peut ainsi identifier la géométrie, c’est-à-dire la taille, l’orientation et la période des nanostructures permettant de contrôler l’émission des boîtes quantiques pour améliorer l’efficacité et la directionalité de ces sources de lumière.
En parallèle, le groupe expérimental du CRHEA a testé les prototypes de ces sources de lumière en fabricant les boîtes quantiques d’AlGaN et en étudiant leurs propriétés optiques. En particulier, ces expériences ont permis de valider les concepts théoriques d’émission et de directionnalité de la lumière dans l’UV profond. Nous avons montré que le diagramme d'émission des échantillons change fortement par rapport à l'orientation dans le plan, pour une composition d'aluminium autour de 72 %, c'est-à-dire à une longueur d'onde d'émission d'environ 235 nm. Les orientations et les formes des diagrammes d'émission indiquent que les fluctuations de la composition en Al dans les boîtes quantiques AlGaN sont suffisamment profondes pour produire des mélanges entre bandes de valence. Cette propriété, qui agit conjointement à la contrainte épiaxiale et l'effet Stark confiné quantique, contribue à l'anisotropie de l'émission lumineuse lorsque la composition de l'aluminium atteint 60 à 70 %, c'est-à-dire pour une longueur d'onde d'émission de 260 à 235 nm.
En utilisant ces technologies avancées et en combinant simulations et développement expérimental, nous visons à créer des sources de lumière UV qui sont non seulement petites et précises mais aussi plus efficaces que les technologies actuelles, en particulier dans la gamme de longueurs d’onde 230 – 270 nm pour des applications stratégiques dans les domaines de la purification de l’eau, de la photothérapie, de la spectroscopie de fluorescence ou encore de la bio-analyse.
Découvrez le portrait de Rémi Colom à l'origine du projet DILEMMA !