Soutenance de thèse de ABDOUL YASSET Halidou

Résumé de la thèse

Aujourd'hui, les technologies photovoltaïques constituent le principal moyen de conversion de la lumière en électricité. Cependant, leur fonctionnement repose sur l'absorption des photons et reste limité par la bande interdite des matériaux semi-conducteurs. Une solution prometteuse pour pallier ces contraintes est l'émergence des dispositifs optoélectroniques de type rectenna. Conceptualisées dans les années 1960 pour les fréquences micro-ondes, les rectennas exploitent les propriétés ondulatoires de la lumière et permettent de convertir une onde électromagnétique en courant continu (DC) via une diode redresseuse. Dans ce travail, nous avons développé des nanoantennes patch capables de coupler des modes plasmons de «gap» au sein de nanocavités. Ces nanocavités sont fabriquées par une approche ascendante d'auto-assemblage utilisant des nanocubes d'or et d'argent. Ces derniers sont associés à des diodes moléculaires ultrarapides pour convertir les ondes électromagnétiques incidentes en un signal électrique. L'ensemble de cette étude s'inscrit dans le cadre du projet de l'agence nationale de la recherche ANR PlasMORE-Light et d'un financement AMUtech de l'Université Aix-Marseille (AMU).
Des simulations électromagnétiques ont été menées à l'aide des logiciels commerciaux Lumerical FDTD et COMSOL Multiphysics. Ces simulations ont fourni des informations essentielles sur les spectres d'absorption optique et ont permis de calculer les cartographies du champ électromagnétique dans les nanocavités. Une attention particulière a été portée au confinement des plasmons de cavité ainsi qu'à l'influence de la géométrie des nanocubes sur les résonances plasmoniques. Une innovation centrale de ce travail repose sur la modélisation analytique des résonances de cavité plasmonique à partir des équations de Maxwell. Nous avons développé un modèle simplifié intégrant une nouvelle dérivation analytique de la phase de réflexion aux bords d'une cavité Métal-Isolant-Métal. Ce modèle permet de prédire les longueurs d'onde de résonance en fonction de la taille des nanocubes, de l'épaisseur des nanocavités plasmoniques et des constantes optiques des matériaux constitutifs (or et argent). Les calculs théoriques ont été confrontés aux simulations numériques ainsi qu'aux spectres de diffusion expérimentaux, montrant une bonne concordance et validant ainsi le modèle proposé.
Des dispositifs intégrant des diodes moléculaires ultrarapides au sein des nanocavités plasmoniques ont été développés. Afin de cibler le domaine des fréquences optiques, des nanoantennes patch constituées de nanocubes de tailles comprises entre 40 nm et 60 nm ont été fabriquées. Leurs réponses spectrales ont été étudiées par microscopie et spectroscopie optiques. Ces mesures ont été réalisées aux Pays-Bas, en étroite collaboration avec nos partenaires locaux, dans le cadre de la fabrication de dispositifs de rectennas moléculaires. Les diodes moléculaires, constituées de monocouches auto-assemblées de molécules (SAMs) sur substrats métalliques, assurent à la fois la fonction d'élément électronique actif et celle de support mécanique pour les nanocubes métalliques. Les propriétés électriques des SAMs ont été caractérisées à l'aide d'un dispositif à électrode en métal liquide développé au laboratoire IM2NP, ainsi que par microscopie à force atomique conductrice (C-AFM) à l'IEMN.
L'ensemble du dispositif, composé de nanocubes singletons déposés sur un film de SAM assemblé sur un substrat métallique, a été caractérisé par C-AFM, dans l' obscurité et sous l'effet de la lumière. Nous avons ainsi démontré une modulation de la caractéristique courant-tension du dispositif sous l' effet de la lumière incidente.