Couplage du séléniure de gallium bidimensionnel à des cavités plasmoniques

Les matériaux bidimensionnels sont des matériaux convoités pour leurs propriétés inusitées et sont donc sujet d'une grande effervescence. Le séléniure de gallium (GaSe) est un matériau 2D qui attire beaucoup d'attention due à ses propriétés intéressantes d'optique non linéaire et de spintronique. Il est également un excellent candidat pour son utilisation dans des cavités plasmoniques, cavité qui permet d'amplifier l'émission d'un émetteur, grâce à son moment dipolaire de transition hors plan. En outre, l'intensité de la photoluminescence (PL) du GaSe mince est généralement très faible et son couplage aux cavités plasmoniques permettra de mesurer plus aisément sa luminescence. L'objectif principal de ce projet de recherche est de réaliser le couplage du GaSe mince aux cavités plasmoniques et ainsi démontrer l'amplification de la PL grâce à ces cavités plasmoniques. Dans un premier temps, la PL du cristal de GaSe et de flocons exfoliés à partir du cristal sont mesurées. Pour le cristal de GaSe, une dépendance surquadratique de l'intensité de la PL en fonction de la puissance d'excitation a été déterminée pour plusieurs longueurs d'onde d'excitation différentes. Également, une étude temporelle de la PL a déterminé deux temps de recombinaison, un temps de recombinaison dominant à de petits temps t, tc = 0, 25−1, 1ns, et un temps dominant à de longs temps t, tl = 1 − 5 ns. Des mesures en fonction de la température ont permis de déterminer une dépendance surquadratique de la PL en fonction de la puissance d'excitation pour toutes les températures entre 80 K - 296 K. Les mesures sur les flocons ont déterminé une dépendance surlinéaire de la PL en fonction de la puissance d'excitation ainsi que des temps de vie de recombinaison des porteurs de charges de tc = 40 − 230 ps et tl = 0,2 − 1 ns. Une modélisation de la structure de bandes du GaSe a été complétée pour expliquer la dépendance surquadratique à basse puissance d'excitation. Il a été déterminé qu'un pompage d'électrons au point M et un transfert de ces électrons au point T de la bande de conduction avant de recombiner radiativement sous forme de PL est nécessaire pour obtenir une dépendance surquadratique. La présence de niveaux de défauts est également nécessaire. Ensuite, la dépendance de la longueur d'onde de résonance du mode fondamental de la cavité plasmonique ainsi que le facteur d'amplification de luminescence en fonction des paramètres géométriques du système est déterminé à l'aide de simulations par éléments finis. Il est démontré que la longueur d'onde de résonance augmente en fonction de la taille du nanocube d'argent, diminue en fonction de la largeur d'interstice et augmente en fonction de l'indice de réfraction dans la cavité.