Les semi-conducteurs organiques sont une classe émergente de matériaux pour les dispositifs optoélectroniques tels que les cellules solaires et les diodes électroluminescentes organiques. Par conséquent, il est important d’ajuster les propriétés des matériaux pour des exigences spécifiques telles que l’absorption et l’émission efficaces de la lumière, les longues durées de vie de l’état excité ou des propriétés plus exotiques (telles que la fission singulet). L’un des avantages de ces semi-conducteurs organiques par rapport aux semi-conducteurs inorganiques conventionnels est qu’en modifiant la conception des molécules, de nombreuses propriétés différentes peuvent être générées. Pour son doctorat. recherche, Anton Berghuis a exploré les propriétés changeantes des matériaux à l’aide de la lumière.
Les progrès des techniques de nanofabrication ont permis de structurer la matière à l’échelle de la longueur d’onde de la lumière. Ce faisant, l’interaction de la lumière et de la matière peut être améliorée, conduisant à de nouvelles propriétés intéressantes.
Dans son doctorat. recherche, Anton Berghuis et ses collaborateurs ont conçu une nanostructure constituée de nanoparticules d’argent placées dans un réseau rectangulaire de telle sorte que la cavité supporte les résonances dans le régime optique. Lors de l’accord de la résonance optique à l’énergie de l’exciton dans un semi-conducteur organique, la lumière dans la cavité et l’exciton peuvent interagir lorsque le semi-conducteur est placé au-dessus de la cavité.
Lorsque cette interaction est plus forte que la moyenne des pertes de l’exciton et de la cavité, l’interaction se traduit par une hybridation du mode de l’exciton et de la cavité et on parle de régime de couplage fort. L’hybridation est décrite par l’introduction d’une quasi-particule appelée exciton-polariton, possédant les propriétés à la fois de l’exciton et des photons dans la cavité.
Trois découvertes
Berghuis a fait trois découvertes liées à cette interaction lumière-matière. Tout d’abord, il a montré qu’il est possible d’ajuster la force d’interaction entre la cavité et les molécules en choisissant l’orientation des molécules dans la cavité. Cela a permis de modifier les spectres d’absorption et d’émission du système couplé.
Deuxièmement, Berghuis a observé que les molécules de tétracène dans la cavité émettaient plus de lumière et émettaient la lumière sur une plus longue période de temps. Même si le signal était un facteur 4 plus élevé qu’à l’extérieur de la cavité, l’émission totale était encore très faible. Le phénomène est cependant très intéressant et mérite d’être approfondi. Si l’efficacité d’émission peut être encore améliorée, cette conception pourrait être appliquée dans les diodes électroluminescentes organiques (OLED).
Enfin, il a étudié la longueur de transport des polaritons-excitons couplés, qui est une propriété très importante pour les matériaux utilisés dans les cellules solaires organiques. La recherche a montré que les polaritons d’excitons dans la cavité voyageaient jusqu’à 100 fois plus loin que les excitons non couplés. C’est un résultat très prometteur, mais des recherches futures devraient explorer si ces polaritons d’excitons propagés (qui ont en partie un caractère photonique) peuvent être transférés à d’autres molécules. Si le transfert des polaritons d’excitons vers d’autres molécules est effectivement efficace, cela ouvre la possibilité d’améliorer la conception du photovoltaïque organique, ce qui peut entraîner une durée de vie plus longue des cellules solaires sans perte d’efficacité.
Titre du doctorat thèse : « Fort couplage lumière-matière dans les cristaux organiques. » Superviseurs : Jaime Gómez Rivas et Alberti González Curto.