Gaëtan LANTY
Agrégé préparateur
à l’École Normale Supérieure de Cachan
Rapport d’activités et perspectives
Octobre 2009
Table des matières
• Curriculum vitae . . . . page 1
• Rapport d’activités d’enseignement . . . . page 3
• Rapport d’activités de recherche . . . . page 6
• Projet de recherche et perspectives . . . . page 15
• Liste des publications, communications et conférences . . . . page 16
Gaëtan Lanty
4, rue de Berry 94230 Cachan Tél : 01 78 54 84 02 Portable : 06 30 41 89 54
Mel : [email protected] 27 ans, marié, 1 enfant.
Français
Formation
2007-2010 : Préparation d’une thèse intitulée "Réalisation et étude des propriétés optiques d’une microcavité hybride inorganique-organique en régime de couplage fort"
au Laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire (LPQM) de l’École Normale Supérieure de Cachan (ENS Cachan) sous la direction d’Emmanuelle Deleporte (Professeur des universités).
Enseignement au département EEA (Électronique, Électrotechnique et Automatique) de l’ENS Cachan : physique (préparation à l’agrégation), conversion d’énergie (préparation à l’agrégation), traitement du signal (M1), et optimisation (L3).
Septembre 2007 : Recruté en tant qu’agrégé préparateur au département EEA de l’ENS Cachan.
Juillet 2007 : Obtention avec la mention Très BienduMaster IST(Information, Systèmes et Technologie), spécialité micro et nanotechnologies, parcours recherche, en habilitation partagée entre l’ENS Cachan et l’université Paris-Sud 11 et validation de la 3e année du Magistère en EEA.
2006-2007 : Élève professeur en 4e année de l’ENS Cachan (ENS), département EEA.
Master 2 IST , spécialité micro et nanotechnologies, parcours recherche, en habilitation partagée entre l’ENS Cachan et l’université Paris-Sud 11.
Juillet 2006 : Reçu à l’agrégation de Sciences Physiques, option Physique Appliquée, rang : 1er ex æquo sur 19 admis.
2005-2006 : Élève professeur en 3e année de l’ENS Cachan.
Préparation à l’agrégation de Sciences Physiques, option Physique Appliquée.
Juin 2005 : Validation de la 1reannée duMaster IST, mention Très Bien et validation de la 2e année du Magistère en EEA.
2004-2005 : Élève professeur en 2e année de l’ENS Cachan.
Master 1 IST et 2e année du Magistère en EEA.
Juin 2004 : Obtention de laLicence en EEAde l’université Paris-Sud 11, mention Très Bien et validation de la 1reannée du Magistère en EEA.
2003-2004 : Élève professeur en 1re année de l’ENS Cachan.
Licence en EEA et 1re année du Magistère en EEA.
Septembre 2003 : Intégration au département EEA de l’ENS Cachan.
Juillet 2003 : Classé 141e au concours d’entrée de l’ENS Cachan.
2001-2003 : Maths Spé (PSI∗) au lycée Henri Loritz à Nancy (TIPE concernant le système de freinage ABS).
2000-2001 : Maths Sup (MPSI) au lycée Henri Poincaré à Nancy.
Juillet 2000 : Obtention duBaccalauréat Scientifique, mention Bien.
1999-2000 : Terminale Scientifiqueau lycée Louis Majorelle à Toul.
Anglais courant (835 points au TOIEC en 2004) Word, Excel, Powerpoint
Programmation en C, Labwindows Maîtrise de Matlab, Simulink, Origin
Expériences professionnelles
Poste
Septembre 2007-août 2010: Agrégé préparateur au département EEA de l’ENS Cachan.
Stages
Avril-août 2007: stage de recherche dans le cadre de la 2e année du Master IST effectué au LPQM : Régime de couplage fort et couches minces de pérovskites auto-organisées.
Juin-juillet 2005: stage de recherche dans le cadre de la 2eannée de Magistère en EEA effectué au laboratoire d’imagerie paramétrique (Paris 6e) : Étude des mécanismes intervenant dans l’atténuation des ultrasons dans l’os trabéculaire.
Octobre, novembre et décembre 2004 : stage pédagogique effectué au sein d’une classe de 1re S du lycée Gustave Eiffel à Cachan (participation au cours, élaboration et réalisation de TP, correction d’un devoir surveillé).
Juillet-août 2004 : stage en entreprise dans le cadre de la 1re année de Magistère en EEA effectué au supermarché Intermarché Toul-Ecrouves.
Autres
Mai 2007: encadrement de séances de laboratoire de conversion d’énergie des élèves de l’ENS Cachan prépa- rant l’agrégation de Sciences Physiques, option Physique Appliquée.
2006-2007: interrogation en physique pour la classe de PCSI du lycée Buffon (Paris 15e).
Août 2001, 2002 et 2003: agent saisonnier pour la SAPRR (Société des Autoroutes Paris Rhin Rhône).
Loisirs
Tennis de table (classé 14).
Course à pied (Marathon de Paris 2009 en 3 heures et 12 minutes).
Rapport d’activités d’enseignement (septembre 2007 - octobre 2009)
Depuis mon intégration en tant qu’agrégé préparateur (poste n˚0070) au sein du département EEA (Élec- tronique, Électrotechnique et Automatique) de l’ENS Cachan en septembre 2007, j’interviens dans trois niveaux de formation :
– en L3, je participe à l’encadrement des travaux pratiques (TP) de l’unité d’enseignement "Méthodes numériques d’optimisation" (UE 355) de la licence de physique, parcours IST (Information, Systèmes et Technologie),
– en M1, je participe à l’encadrement des travaux dirigés (TD) et des travaux pratiques de l’unité d’en- seignement "Signal et image" (UE 451) du master IST,
– en préparation à l’agrégation de Sciences Physiques, option Physique Appliquée, j’assure l’encadrement des séances de cours et TD intégrés de physique et je participe à l’encadrement des travaux pratiques de conversion d’énergie.
Dans ce qui suit, je détaille mes enseignements dans chacun de ces trois niveaux puis j’expose quelques-unes des interventions annexes en lien avec l’enseignement que j’ai effectuées durant ces deux dernières années. Enfin, dans le dernier paragraphe, un bilan synthétique est présenté.
1- Enseignements dans le cadre de la Licence IST
La 3e année de la Licence IST est un cursus de la Licence de physique de l’université Paris-Sud 11 qui vise à former ses étudiants dans le domaine des sciences de l’ingénieur (électronique, conversion d’énergie, automatique, génie informatique, traitement du signal, etc.). Elle résulte d’une collaboration entre l’université Paris-Sud et l’ENS Cachan. La promotion d’étudiants est donc composée à la fois d’élèves normaliens et d’étudiants issus du cursus universitaire.
Dans le cadre de cette licence, je participe à l’encadrement des cinq TP de l’unité d’enseignement "Méthodes numériques d’optimisation" (UE 355) dont le cours est assuré par Michel Kieffer (Maître de conférences à Paris- Sud 11). L’objectif de ces TP est de mettre en pratique différents algorithmes d’optimisation vus en cours tout en faisant découvrir aux étudiants le logiciel de calculMatlabTM. Les thèmes abordés lors de ces TP sont très divers : identification de systèmes, annulation d’écho, estimation des paramètres d’un moteur, localisation d’un véhicule, estimation du mouvement dans une séquence d’images, optimisation globale, méthodes du gradient et de Gauss-Newton. À la fin de chaque séance de TP, je ramasse les comptes rendus (un par binôme). Je les corrige et les note généralement pour la séance suivante.
Lorsque j’ai pris en charge ce travail d’enseignement en 2007, ces TP avaient déjà été écrits par cinq auteurs différents. Ma contribution a donc été de les faire évoluer en profitant de ma vision d’ensemble des cinq TP. Par exemple, j’ai modifié en profondeur le TP n˚2 sur l’estimation des paramètres d’un moteur pour assurer la cohérence avec le cours et les autres TP. J’ai également réalisé un glossaire de commandes de base de MatlabTM nécessaires à l’ensemble des TP. Cette année, je travaille d’une part à une présentation sous forme de diporamas de l’introduction nécessaire à chaque TP et, d’autre part, je vais compléter l’ensemble des fonctionsMatlabTM du TP n˚4 (optimisation globale) fournies aux étudiants pour leur permettre d’aborder l’ensemble du sujet dans le temps imparti.
2- Enseignements dans le cadre du Master IST
La 1reannée du Master IST constitue le prolongement naturel des enseignements dispensés dans le cadre de la 3eannée de la Licence IST. Cette année résulte également d’une collaboration entre l’université Paris- Sud et l’ENS Cachan. La promotion d’étudiants est donc également composée à la fois d’élèves normaliens et d’étudiants issus du cursus universitaire.
Dans le cadre de ce Master, j’encadre, avec Cécile Durieu (Maître de conférences à l’ENS Cachan et directrice du département EEA) qui assure le cours, environ la moitié des TD et les deux tiers des TP de
l’unité d’enseignement "Signal et image" (UE 451). Cette unité d’enseignement, d’une part, complète les connaissances des étudiants sur les notions associées aux variables aléatoires et, d’autre part, traite des notions associées aux signaux aléatoires et de la théorie de l’estimation. L’objectif des TD est d’appliquer les notions vues en cours à des cas concrets : minimisation des pertes lors de la fabrication de barres d’acier par laminage, détection d’un signal numérique bruité, estimation de la vitesse d’un véhicule en déplacement uniforme, etc.
L’objectif des TP est d’illustrer et mettre en œuvre les notions vues en cours et en TD à partir de signaux acquis pendant la séance ou de signaux simulés. Le logiciel de calculMatlabTMest utilisé pour mener à bien ces TP, ce qui permet aux étudiants d’appronfondir leur maîtrise de ce logiciel. Les thèmes abordés lors de ces TP sont : corrélation de signaux, filtrage adapté, mesure de la vitesse du son, synthèse de voyelles et localisation de sources. À la fin de chaque séance de TP, les comptes rendus (un par binôme) sont ramassés. Je participe, en proportion des TP encadrés, à leur correction et à leur notation.
3- Enseignements dans le cadre de la préparation l’agrégation de Sciences Physiques du département EEA
La préparation à l’agrégation de Sciences Physiques du département EEA vise à préparer les étudiants à l’agrégation de Sciences Physiques, option Physique Appliquée. La promotion d’étudiants est composée d’élèves normaliens recrutés sur concours 1re année ou 3e année et éventuellement d’enseignants ayant une année de congé de formation.
Dans le cadre de cette formation, j’interviens dans les TP de conversion d’énergie dont les cours théoriques associés sont dispensés par Gilles Feld (Professeur agrégé à l’ENS Cachan et directeur adjoint du département EEA) et Emmanuel Hoang (Professeur agrégé à l’ENS Cachan). Ces TP permettent de compléter et de renforcer l’étude théorique de systèmes de l’électrotechnique et de l’électronique de puissance vus en cours : le gradateur, les transformateurs monophasé et triphasé, la machine à courant continu, la machine synchrone, la machine asynchrone, les alimentations flyback et forward, l’onduteur en tension par modulation à largeur d’implusion, le panneau solaire, la pile à combustible, etc.
Le concours de l’agrégation de Sciences Physiques, option Physique Appliquée, requiert les connaissances en physique associées aux programmes d’enseignement de physique de l’ensemble des classes préparatoires (MPSI, PCSI, PTSI, BCPST1, MP, PC, PSI, PT, BCPST2). Lors de l’année de préparation à l’agrégation, ces connaissances sont rappelées et complétées via quatorze séances mixtes cours-TD de quatre heures. L’année précédant mon arrivée au département EEA, ces quatorze séances étaient dispensées par trois enseignants différents dont deux extérieurs à l’ENS Cachan. À mon arrivée, il m’a été proposé de remplacer deux de ces enseignants en prenant en charge huit cours-TD principalement liés à la 1reannée de classe préparatoire. J’ai donc pu réaliser, dès ma première année de contrat, une homogénisation partielle des cours-TD de physique en adoptant un format identique pour chaque cours-TD :
– un polycopié constitué d’une liste d’exercices associés au cours suivie d’un problème plus conséquent est distribué aux étudiants en début de séance,
– le cours rappelle ensuite les concepts et démonstrations incontournables,
– le cours est entrecoupé par des exercices choisis dans le polycopié illustrant la partie de cours qui vient d’être traitée,
– en fin de séance, il est conseillé aux étudiants de chercher pour la séance suivante deux ou trois exercices ainsi que le problème. Ces travaux sont alors ramassés, corrigés et commentés.
Pendant mes deux premières années de contrat, j’ai présenté ces huit cours-TD (par ordre chronologique) : mécanique du point, thermodynamique, électrostatique et magnétostatique, mécanique des systèmes de points matériels et des solides, ondes mécaniques, mécanique des fluides I, mécanique des fluides II, ondes sonores et diffusion de particules.
Depuis la rentrée de septembre 2009, j’ai accepté1 de prendre en charge les six autres cours-TD rempla- çant ainsi un professeur extérieur à l’ENS Cachan parti à la retraite. Cela m’a permis d’homogéniser et de réorganiser l’ensemble des quatorze cours-TD de physique (par ordre chronologique) : mécanique du point, thermodynamique, électromagnétisme I, mécanique des systèmes de points matériels et des solides, ondes mécaniques, électromagnétisme II, optique géométrique, mécanique des fluides I, mécanique des fluides II, interférences, diffraction, ondes sonores et diffusion de particules, ondes électromagnétiques dans les milieux,
1Cependant pour cela, j’ai dû renoncer à l’encadrement de quelques séances de TP de conversion d’énergie.
potentiels thermodynamiques.
Enfin, chaque année, j’encadre avec Bernard Journet (Maître de conférences à l’ENS Cachan) une journée de TP de physique visant à familiariser les agrégatifs avec le matériel qui leur sera mis à disposition lors de l’oral de l’agrégation. Je propose également un devoir surveillé de physique (généralement en électromagnétisme) de quatre heures.
4- Interventions diverses
Durant ces deux dernières années, j’ai également participé à de nombreuses actions ponctuelles qui contri- buent à la vie de l’ENS Cachan. J’ai, par exemple, pris part aux trois dernières journées portes ouvertes (février 2007, février 2008 et février 2009) de l’ENS Cachan en présentant un atelier destiné à faire réagir des collégiens sur des notions en relation avec le son. À un autre niveau, j’ai aussi présenté aux étudiants du L3 et du M1 IST un séminaire (novembre 2008) décrivant le domaine de recherche dans lequel mes travaux de thèse s’incrivent et les attentes qui en découlent.
Il m’a aussi été offert de prendre part au recrutement des élèves normaliens. En effet, pour le concours 3e année du département EEA, j’ai rédigé un sujet pour la session 2010. J’ai également participé à l’épreuve de manipulation de physique de l’oral du concours PSI (session 2009) en proposant deux sujets : le premier concernait la transmission numérique de type delta, le second, dont l’idée initiale fut proposée par Gilles Feld, traitait de la caractérisation d’un empilement piézoélectrique via l’utilisation d’un interféromètre de Michelson.
Ce deuxième sujet a permis d’introduire une certaine diversité dans les sujets de physique appliquée proposés aux candidats.
5- Bilan synthétique
Dans ce dernier paragraphe, les répartitions par niveaux (figure n˚1a), par matières (figure n˚1b) et par types (figure n˚1c) de mes enseignements de l’année universitaire 2009-2010 sont présentées sous forme de diagrammes circulaires.
Figure no1 : a) Répartition par niveaux b) Répartition par matières, c) Répartition par types.
Rapport d’activités de recherche (septembre 2007 - octobre 2009)
Depuis mon recrutement en tant qu’agrégé préparateur au département EEA de l’ENS Cachan, je prépare ma thèse sous la direction d’Emmanuelle Deleporte (Professeur des universités à l’ENS Cachan) au Laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire (UMR 8537) dans le groupe "Propriétés optiques de nanostructures hybrides". Je travaille, en collaboration étroite avec Jean-Sébastien Lauret (Maître de conférences de l’ENS Cachan, LPQM), à la réalisation et l’étude des propriétés optiques de microcavités planaires hybrides organique- inorganique en régime de couplage fort. La réalisation de ces microcavités se fait via une collaboration entre trois laboratoires : le LPQM, le LPN (Laboratoire de Photonique et de Nanostructures) à Marcoussis et le CRHEA (Centre de Recherche sur l’Hétéroépitaxie et ses Applications) à Valbonne. Ces activés de recherche ont donné lieu à six publications dans des journaux internationaux avec comité de lecture (voir page 17).
1- Le contexte scientifique a- Les polaritons de microcavité
Les microcavités planaires de semiconducteurs, constituées d’un ensemble de puits quantiques enserrés dans une cavité Pérot-Fabry, présentent un intérêt tant sur le plan de la recherche fondamentale : étude du couplage entre les modes du champ électromagnétique dans la cavité et les excitations électroniques, que sur le plan de la recherche appliquée : réalisations de sources lasers miniaturisées et à bas seuil. En régime de couplage fort, les excitons et les photons forment des états mixtes : les polaritons de cavité, modes normaux séparés énergétiquement par le dédoublement de Rabi. Ces polaritons sont des quasi-particules dont le spin est entier, ils peuvent donc relaxer vers l’état de plus basse énergie pour former un condensat de Bose-Einstein.
La lumière issue de la recombinaison radiative des polaritons de ce condensat est donc cohérente, c’est le principe du laser à polaritons. L’obtention d’une lumière cohérente ne nécessitant pas d’inversion de population, le laser à polaritons est donc théoriquement sans seuil. Il est donc plus économe en énergie que les lasers classiques. Kasprzaket al.(Kasprzaket al., Nature 409, vol 443, 2006) furent les premiers à mettre en évidence expérimentalement un laser à polaritons à basse température (5K) en 2006. Ils utilisèrent pour cela des puits quantiques de CdTe (Tellure de cadmium), un semiconducteur inorganique.
b- Les 1resmicrocavités organiques
Entre 1992 et 1997, les premiers matériaux à avoir été mis en microcavité pour obtenir le régime de couplage fort furent des semiconducteurs inorganiques comme le GaAs (Arséniure de gallium), le CdTe, ...
etc. Ces matériaux présentent des états excitoniques avec une énergie de liaison faible (de l’ordre de quelques meV). Les états excitoniques de ces matériaux ne se manifestent donc pas à température ambiante puisque l’énergie d’activation thermique y est d’environ 25 meV. Il est donc impossible d’observer le couplage fort (et par conséquent le laser à polaritons) avec ce type de matériaux à température ambiante. Or, dans le cadre d’éventuelles applications industrielles, il sera nécessaire de travailler à température ambiante.
C’est pourquoi en 1998, l’équipe de D.G. Lidzey de l’université de Sheffield (UK) réalisa (Lidzey et al., Nature 395, vol 53, 1998) une microcavité contenant une couche d’un matériau organique, plus précisément un film de polystyrène contenant des molécules organiques actives, les porphyrines de Zinc. Les porphyrines de Zinc présentent des états excitoniques très localisés spatialement dont l’énergie de liaison est de l’ordre de quelques centaines de meV. Ceci a permis l’obtention du régime de couplage fort à température ambiante avec un dédoublement de Rabi record pour l’époque de 160 meV.
Depuis, de nombreuses microcavités contenant des molécules organiques ont présentées le régime de cou- plage fort à température ambiante. Cependant en raison de la localisation spatiale des excitons, il n’a jamais été possible de mettre en évidence le régime de laser à polaritons avec de tels matériaux. D’autres matériaux permettant la délocalisation spatiale des excitons ont alors été proposés pour obtenir le laser à polaritons à température ambiante : les semiconducteurs à grands gaps et les cristaux moléculaires de pérvoskite (LPQM).
c- Les semiconducteurs à grands gaps
À partir de 2005, des semiconducteurs à grands gaps comme le GaN (Nitrure de Gallium) ou le ZnO (Oxide de Zinc) ont été proposés. Ces matériaux présentent des états excitoniques spatialement délocalisés avec des énergies de laison de quelques dizaines de meV. Ces énergies de liaison ont permis de réaliser des microcavités à base de ces matériaux présentant le régime de couplage fort. Bien qu’à température ambiante la mise en évidence du couplage fort ne soit pas évidente, le laser à polaritons a récemment été démontré expérimentalement dans une microcavité GaN par l’équipe de J.J. Baumberg de l’université de Southampton (UK) en 2008 (Baumberget al., PRL 136409, vol 101, 2008).
En raison des propriétés physiques de ces matériaux, le laser à polaritons ne peut être obtenu que dans des microcavités dont le facteur de qualité est supérieur à 500. De tels facteurs de qualité sont incompatibles avec une puissance lumineuse importante du laser à polaritons, il est donc nécessaire d’explorer les possibilités d’autres matériaux.
2- Les cristaux moléculaires de pérovskite (LPQM)
L’équipe "propriétés optiques de nanostructures hybrides" du LPQM dirigée par Emmanuelle Deleporte s’est spécialisée dans l’étude des cristaux moléculaires de pérovskite qui apparaissent comme un matériau inter- médiaire vis-à-vis des semiconducteurs inorganiques (GaAs, CdTe, ...), d’une part, et des matériaux organiques (porphyrines de Zinc, J-aggrégats, ...), d’autre part.
a- Structure et propriétés optiques
Les cristaux moléculaires de pérovskite sont des cristaux ioniques qui ont pour formule chimique générale : (R−NH3)2MX4 avec M un élément métallique, X un halogène et R une chaîne carbonnée. Ils s’obtiennent par simple dépôt à la tournette d’une solution contenant tous les éléments constitutifs dans les proportions stœchiométriques, c’est-à-dire :M2+,4∗X− et 2∗R−NH+3. L’épaisseur de la couche obtenue est de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres et peut être ajustée à l’aide de la concentration de la solution et des paramètres de la tournette. La figure n˚2 présente l’image par microscopie à force atomique (AFM) d’un dépôt de la pérovkite correspondant àM2+= Pb2+, X−= I− et R = C6H5C2H4−, et généralement connue sous le nom de PEPI.
Figure no2 : Image AFM d’un dépôt de PEPI sur une lame de verre.
Cette image montre que les dépôts de PEPI sont constitués de cristaux dont les dimensions latérales sont de l’ordre de la centaine de nanomètres.
Les études par diffraction X ont montré que la structure des couches de pérovskite est constituée d’une succession de couches inorganiques et organiques (cf figure n˚3 a)) : les couches inorganiques sont constituées des éléments M et X alors que les couches organiques sont constituées des chaînes carbonnées.
Figure no3 : a) Schéma de la structure des couches minces de pérovskite, b) Représentation schématique de la struture de bandes associée.
L’étude de la structure des bandes de conduction et de valence des couches minces de pérovskite (cf figure n˚3 b)) montre que les couches inorganiques forment une succession de puits quantiques pour les électrons et les trous. Ceci confère aux excitons une grande énergie de liaison (entre 220 meV et 400 meV selon la pérovskite considérée) et une grande force d’oscillateur ce qui est très favorable pour l’obtention du couplage fort à température ambiante. La figure n˚4 présente les spectres d’absorption d’un dépôt de PEPI et d’un dépôt de PEPaC (idem PEPI hormisX−= Cl−).
Figure no4 : a) Spectre d’absorption d’un dépôt de PEPI, b) Spectre d’absorption d’un dépôt de PEPaC.
Sur chacun de ces deux spectres, on observe un pic d’absorption dû aux états excitoniques. On en déduit que l’énergie des excitons dans PEPI (respectivement PEPaC) est de2,40 eV (respectivement 3,64 eV). Il apparaît ainsi que l’on peut choisir l’énergie des excitons d’un dépôt de pérovskite en changeant les éléments X,M etR. Ceci constitue un avantage supplémentaire des couches de minces de pérovskite.
Bien sûr, les couches minces de pérovskites présentent quelques inconvénients comme, par exemple, le fait que l’auto-organisation lors du dépôt à la tournette ne se fasse pas avec la même qualité selon la pérovskite considérée ou bien qu’une exposition à une excitation laser trop importante tende à les détruire. Cependant l’énergie de liaison des excitons importante et leur délocalisation dans le plan de la couche mince font des couches minces de pérovskite un matériau intermédiaire entre les semiconducteurs inorganiques et les matériaux organiques moléculaires. Il nous a donc paru essentiel de confronter ce matériau à la problématique du laser à polaritons.
b- Obtention du couplage fort avec PEPI
Les travaux de mon prédécesseur au LPQM, Antoine Bréhier, ont montré qu’il était possible d’obtenir le régime de couplage fort à température ambiante avec PEPI. Il a, pour cela, placé une couche de PEPI de 50 nm d’épaisseur entre un miroir diélectrique et un miroir métallique semi-transparent (cf figure n˚5 a)).
L’ajustement en énergie du mode de cavité et de l’exciton de PEPI a été obtenu en déposant une couche de PMMA (polyméthacrylate de méthyle, un polymère transparent) d’environ 100 nm d’épaisseur.
Figure no5 : a) Schéma de la microcavité, b) Spectres de réflectivité résolus en angle.
La figure n˚5 b) montre les spectres de réflectivité qu’il a obtenus pour cette microcavité pour différents angles d’incidence. Chaque creux de réflectivité correspond à un polariton. La figure n˚6 présente la position en énergie des polaritons en fonction de l’angle d’incidence.
Figure no6 : Diagramme d’anticroisement.
L’anticroissement observé constitue la preuve de l’obtention du régime de couplage fort à température ambiante.
3- Les objectifs de ma thèse
La thèse que je prépare sous la direction d’Emmanuelle Deleporte a deux objectifs principaux : le premier consiste en la réalisation d’une cavité en régime de couplage fort comportant deux matériaux actifs (GaN et pérovskite), le second consiste à explorer les possibilités d’obtention du régime de laser à polaritons avec la microcavité PEPI.
a- Réalisation d’une cavité hybride GaN-pérovskite
On montre d’un point de vue théorique que pour atteindre le régime de laser à polaritons, le temps de vie des polaritons doit être plus long que le temps mis par ces derniers pour relaxer vers l’état de plus basse énergie. Or, le temps de vie des polaritons étant d’autant plus long que le facteur de qualité de la cavité est élevé, il faut donc que ce facteur de qualité soit supérieur à certaine valeur dépendant du matériau considéré et de la température. En effet la relaxation des polaritons fait intervenir leurs interactions avec les phonons acoustiques, l’efficacité de cette relaxation est donc dépendante du matériau considéré et de la température.
Dans le cas du GaN, le régime de laser à polaritons ne peut être obtenu qu’avec des microcavités dont le facteur de qualité est supérieur à 500 à température ambiante. Cependant, pour le laser à polaritons, une valeur élevée du facteur de qualité n’est pas compatible avec l’obtention d’une puissance lumineuse de sortie importante. En effet, les photons issus du laser à polaritons proviennent de la recombinaison radiative des polaritons du condensat de Bose-Einstein, c’est-à-dire de l’échappement de la part photon des polaritons à travers un des miroirs de la microcavité. Ainsi, plus la réflectivité des miroirs sera grande (c’est-à-dire plus le facteur de qualité sera élevé), moins de photons pourront s’échapper de la cavité et moins la puissance en sortie du laser à polaritons sera grande.
Conscients qu’une puissance lumineuse de sortie faible pourrait limiter le champ d’application d’un tel dispositif, nous proposons une méthode qui pourrait permettre l’obtention du laser à polaritons dans des mi- crocavités à facteurs de qualité moindres : plutôt que d’augmenter le temps de vie des polaritons en augmentant le facteur de qualité, on se propose de réduire le temps de relaxation des polaritons vers l’état de plus basse énergie en utilisant une idée proposée en 1997 par Agranovichet al. (Agranovich et al., Solid State Comm.
631, vol 102 ,1997).
Prenons une microcavité à base d’un semiconducteur inorganique, Agranovichet al.proposent d’y ajouter une couche mince d’un matériau organique dont l’exciton est en énergie légèrement en dessous de l’exciton du semiconducteur inorganique. Le diagramme d’anticroisement attendu est présenté à la figure n˚7, l’exciton du semiconducteur inorganique est qualifié sur ce diagramme de "Wannier-Mott" alors que l’exciton du matériau organique est qualifié de "Frenkel".
Figure no7 : Diagramme d’anticroisement.
D’après Agranovich et al., cette struture hybride inorganique-organique présenterait un canal de relaxation vers l’état de plus basse énergie très efficace : une réduction d’au moins un facteur 10 des temps de relaxation par rapport à la microcavité avec seulement le semiconducteur inorganique est attendue. Cette théorie n’a, à notre connaissance, jamais été testée expérimentalement.
Le premier objectif de ma thèse est de réaliser expérimentalement la structure hybride proposée par Agranovich et al en prenant le GaN comme semiconducteur inorganique et une pérovskite comme matériau organique. Nous espérons ainsi obtenir le régime de laser à polaritons avec un facteur de qualité inférieur à 500. Ce travail est financé par le projet ANR PNANO2006 MICHRY et est réalisé en collaboration avec le CRHEA à Valbonne et le LPN à Marcoussis.
b- Étude de la relaxation stimulée dans la microcavité PEPI
Le second objectif de ma thèse est d’explorer les possibilités qu’offre la microcavité PEPI vis-à-vis des processus physiques associés au régime de laser à polaritons, notamment la possibilité de relaxation stimulée des polaritons vers l’état de plus basse énergie condition nécessaire à l’obtention du laser à polaritons. L’article de Sabaet al.en 2001 (Sabaet al., Nature, 731, vol 414, 2001) a montré que plus l’énergie de liaison des états excitoniques du matériau utilisé est grande plus la température maximale à laquelle la relaxation stimulée des polaritons peut être observée est élevée. Dans le cas de PEPI, l’énergie de liaison est d’environ 220 meV. Une telle valeur pourrait conduire (si la courbe expérimentale de Saba et al. est vérifiée jusqu’à cette valeur) à l’obtention de la diffusion stimulée pour des températures bien plus grandes que la température ambiante.
Nous souhaitons mettre en évidence la diffusion stimulée des polaritons dans la microcavité PEPI à tem- pérature ambiante. Pour cela nous montons actuellement au LPQM un dispositif expérimental pompe-sonde de type Savvidis (Savvidis et al2 furent les premiers à rendre compte d’une telle manipulation en 2000). Il s’agit d’exciter la microcavité à l’angle d’inflexion de la branche polaritonique de basse énergie avec un pulse de lumière intense (pulse de pompe) et d’envoyer (avec un retard ou non) sur l’état de plus basse énergie un pulse de lumière (pulse de sonde). Lorsque la sonde est réfléchie par la microcavité en étant amplifiée cela signifie qu’il y a eu diffusion stimulée des polaritons créés par la pompe vers l’état de plus basse énergie.
2Savvidiset al., PRL 1547, vol 84, 2000
4- Les résultats obtenus concernant la microcavité hybride GaN-pérovskite
Avant de réaliser exactement la structure proposée par Agranovich et al., il nous a semblé important de vérifier que le régime de couplage fort entre les excitons du GaN, les excitons de la pérovskite et les photons du mode de cavité pouvait être atteint. Nous avons pour cela choisi la pérovskite PEPaC dont la qualité optique du dépôt est bonne et dont l’énergie de l’exciton (EPEPaC= 3,64 eV) est voisine de celle du GaN (EGaN= 3,50 eV). Cependant l’inconvénient de ce choix réside dans le fait que EPEPaC>EGaN alors qu’Agranovich et al proposent Eorganique<Einorganique. Nous verrons par la suite les conséquences de cette inversion en énergie des excitons.
Mon premier travail fut de mettre en cavité la pérovskite PEPaC pour s’assurer que le régime de couplage fort pouvait bien être obtenu avec cette pérovskite. La microcavité mise au point (cf schéma à la figure 8 a)) fut le résultat d’une collaboration avec Sophie Bouchoule (Chargée de recherche CNRS au LPN) pour le dépôt du miroir diélectrique inférieur.
Figure no8 : a) Schéma de la microcavité PEPaC, b) Spectres de réflectivité résolus en angle.
Les études en réflectivité (voir spectres résolus en angles de la figure n˚8 b) et digramme d’anticroisement de la figure n˚9 a)) et en photoluminescence (cf figure n˚9 b)) de cette microcavité ont clairement démontré l’obtention du régime de couplage fort à température ambiante.
Figure no9 : a) Diagramme d’anticroisement, b) Spectre de photoluminescence d’une couche de PEPaC (graphe supérieur) et spectres de photoluminescence résolus en angle (graphe inférieur).
Ces résultats qui constituent une prémière puisque le couplage fort n’avait jamais été observé dans le proche ultraviolet ont donné lieu à une publication dans le journal Applied Physics Letters (Lantyet al., APL, 081101, vol 93, 2008).
La suite de mon travail consista à simuler, par la méthode des matrices de tranfert, une première structure hybride à partir une demi-cavité GaN fournie par Fabrice Semond (Chargé de recherche CNRS au CRHEA).
Pour qu’une structure soit satisfaisante, il est nécessaire, d’une part, que les diverses possibilités technologiques soient respectées et, d’autre part, que les couches actives (GaN et PEPaC) soient situées au voisinage d’un maximum de l’intensité du champ électrique intracavité. Les résultats (structure de la microcavité et intensité du champ intracavité) de ces simulations sont présentés par la figure n˚10.
Figure no10 : a) Structure de la microcavité hybride à réaliser, b) Intensité du champ intracavité.
Cette structure fut ensuite réalisée et son étude optique fut menée en réflectivité. L’interprétation des mesures en réflectivité résolues en angle (cf figure n˚11 a)) n’est pas tout-à-fait évidente au premier abord.
Figure no11 : a) Spectres de réflectivité résolus en angle, b) Diagramme d’anticroisement.
Cependant, une étude fine montre que lorsque l’angle d’incidence θ augmente trois creux de reflectivité cor- respondant aux trois polaritons apparaissent. Sur la figure n˚11 b), la position en énergie de ces trois creux de réflectivité a été reportée en fonction deθ. Ce diagramme d’anticroisement présente, comme attendu, deux anticroisements ce qui prouve que la microcavité est en régime de couplage fort pour les deux types d’exciton.
En outre, l’ajustement d’un modèle à trois niveaux (cf courbes bleue, rouge et verte) a permis d’extraire les paramètres physiques de ce régime de couplage. Les valeurs obtenues sont en parfait accord avec les valeurs obtenues lors des études de la microcavité GaN (résultats CRHEA) et de la microcavité PEPaC.
Il apparaît clairement que les difficultés d’interprétation de ces spectres de réflectivité ont deux origines : – tout d’abord, la demi-cavité GaN utilisée n’a pas été conçue spécialement pour ce projet et on s’aperçoit que la bande d’arrêt du miroir diélectrique (représentée par les carrés cyans sur la figure n˚11 b)) est trop basse en énergie et que la couche de GaN est trop épaisse (le polariton d’énergie moyenne est faiblement visible),
– mais surtout, nous avons choisi une pérovskite telle queEperovskite>EGaNce qui conduit avoir l’exciton de la pérovskite dans le front d’absorption du GaN.
Forts des constatations faites sur le premier essai, nous avons entrepris de réaliser deux nouvelles microcavités hybrides. La première reprend PEPaC comme pérovkite mais la demi-cavité GaN est modifiée (couche de GaN plus fine et miroir diélectrique plus haut en énergie). Tandis que pour la seconde nous avons choisi une pérovskite dont les propriétés sont un peu moins bonnes que PEPaC mais qui vérifieEperovskite<EGaN. Au mois de juillet, Fabrice Semond m’a gentillement invité à l’assister lors de la croissance par épitaxie des
nouvelles demi-cavité GaN adaptées à la suite du projet. Elles sont actuellement en cours de caractérisation optique.
5- Les resultats obtenus concernant la diffusion stimulée dans la microcavité PEPI
Dans la microcavité PEPI standard (c’est-à-dire celle réalisée par Antoine Bréhier durant sa thèse), la couche de PEPI est déposée directement sur le miroir diélectrique. Elle n’est donc pas soumise au champ intracavité maximum puisque le champ intracavité présente un nœud à la surface du miroir diélectrique.
Mon travail sur la microcavité PEPI a tout d’abord (septembre 2007) consisté à mettre en place un protocole permettant de réaliser une microcavité PEPI dite optimisée dans laquelle la couche de PEPI repose au voisinage du maximum de l’intensité du champ électrique. Ce protocope a permis d’intercaler une couche de 50 nm de PMMA entre le miroir diélectrique et la couche de PEPI et donc d’obtenir le résultat escompté. La figure n˚12 présente l’intensité du champ intracavité ainsi que le diagramme d’anticroisement de la microcavité optimisée.
Figure no12 : a) Intensité du champ intracavité de la cavité optimisée, b) Diagramme d’anticroisement de la cavité optimisée.
Le doublement de Rabi (grandeur qui caractérise la force du couplage entre les états excitoniques et le mode de cavité) mesuré sur le diagramme d’anticroisement s’élève à 190 meV, soit 50 meV de plus que la microcavité PEPI standard. Ces résultats ont éte publiés dans la revue internationale "New Journal of Physics" (Lantyet al., New Journal of Physics, 065007, vol 10, 2008).
Ensuite, dans l’optique d’étudier la diffusion stimulée des polaritons dans la microcavité PEPI, nous avons entrepris de monter au LPQM un dispositif expérimental de type pompe-sonde (cf paragraphe 3-b).
Cependant au lieu de monter directement le dispositif de type Savvidis et d’étudier la microcavité PEPI, il nous a semblé plus raisonnable de commencer par faire l’étude de la couche de PEPI seule puisque très peu d’articles scientifiques ont été publiés sur le sujet. Nous avons donc commencé par monter un dispositif de type pompe- sonde plus classique dit dégénéré (la pompe et la sonde ont la même longueur d’onde) : la sonde et la pompe sont focalisées au même point sur l’échantillon et on enregistre l’intensité de la sonde qui traverse l’échantillon en fonction du retard entre les pulses de sonde et de pompe. Plus les états excitoniques seront peuplés, moins la sonde sera absorbée et plus l’intensité de la sonde transmise sera élevée. Un graphe pompe-sonde (intensité du signal transmis en fonction du retard pompe-sonde) permet donc mesurer quantitativement la dynamique des états excitoniques. Les premières mesures quantitatives de la dynamique des états excitoniques de PEPI sont présentés à la figure n˚13. Ces mesures montrent que plus la puissance de pompe est grande plus la dynamique de la recombinaison des excitons est rapide. Cet effet est le signe de l’existence d’interactions exciton-exciton importantes dans la couche de PEPI ce qui est une bonne nouvelle puisque ces interactions sont nécessaires à la diffusion stimulée des polaritons.
Figure no13 : a) Graphes pompe-sonde pour différentes puissance de la pompe, b) Les mêmes graphes normalisés à 1.
Enfin, nous avons modifié ce dispositif expérimental dans le but de pouvoir pomper à une énergie différente de l’énergie de la sonde : dispositif pompe-sonde dit non-dégénéré. Ce n’est qu’il y a quelques jours que j’ai pu pour la première fois enregistrer un graphe pompe-sonde avec ce nouveau dispositif. La figure n˚14 présente deux graphes pompe-sonde en non-dégénéré : pour le premier (courbe rouge), pompe et sonde sont à l’énergie de l’exciton, pour le deuxième (courbe noire) la pompe est à 3,1 eV, la sonde à l’énergie de l’exciton.
Figure no14 : Deux graphes pompe-sonde en non-dégénéré.
Bien que cela reste à confirmer, nous pensons que la différence des temps de montée des deux graphes est liée au temps de relaxation des paires électron-trou vers les états excitoniques de PEPI.
Projet de recherche et perspectives
Je souhaite poursuivre, jusqu’à la fin de ma thèse, mes recherches suivant les deux axes principaux que sont la microcavité hybride GaN-pérovskite et l’étude de la relaxation stimulée des polaritons dans la microcavité PEPI. Concernant la microcavité hybride GaN-pérovskite, je vais poursuivre mon travail par la réalisation des deux nouvelles structures simulées. Je ferai ensuite leurs études optiques. Nous pourrons alors vérifier la théorie d’Agranovichet al.en testant le régime de laser à polaritons sur ces microcavités qui possèdent un facteur de qualité inférieur à 500. Concernant l’étude de la relaxation stimulée des polaritons dans la microcavité PEPI, il est tout d’abord nécessaire de valider le dispositif expérimental pompe-sonde en non-dégénéré en comparant les résultats obtenus avec ceux de l’ancien dispositif (dégénéré). J’exploiterai ensuite ce nouveau dispositif pour approfondir nos connaissances sur la dynamique des états excitoniques de PEPI : étude des temps de relaxation en fonction de la longueur d’onde de pompe et de la puissance de pompe. Après avoir mené ce travail nécessaire, nous ferons à nouveau évoluer le dispositif expérimental pour être capables de faire de l’étude de la diffusion stimulée des polaritons. Il sera alors possible de dire si oui ou non ce phénomène peut avoir lieu dans la microcavité PEPI.
J’estime que pour atteindre ces objectifs, il me faut continuer mon travail de recherche pendant au moins une année et demie. Je souhaite donc que mon contrat d’agrégé préparateur qui arrive à son terme au 31 août 2010 soit renouvelé pour pouvoir soutenir ma thèse vers juillet-août 2011. Ensuite, si les résultats obtenus pendant dans ma thèse contribuent à une avancée majeure au domaine étudié, je candidaterai à un poste de Maître de conférence. Dans le cas contraire, plusieurs choix sont possibles comme prendre en charge une classe préparatoire aux grandes écoles, candidater sur un poste de PRAG ou bien poursuivre sur le poste d’agrégé préparateur que j’occupe actuellement.
Liste des publications
1. "Strong exciton-photon coupling at room temperature in microcavities containing two-dimensional laye- red perovskite compounds", G. Lanty, A. Bréhier, R. Parashkov, J.-S. Lauret and E. Deleporte.New Journal of Physics10, 065007 (2008)
2. "UV polaritonic emission from a perovskite-based microcavity", G. Lanty, J.-S. Lauret, E. Deleporte, S. Bouchoule and X. Lafosse.Applied Physics Letters93, 081101 (2008)
3. "Synthesis and optical properties of novel organic-inorganic hybrid nanolayer structure semiconductors", S. Zhang, G. Lanty, J.-S. Lauret, E. Deleporte, P. Audebert and L. Galmiche.Acta Materialia57, 3301 (2009) 4. "Synthesis of new perovskite luminescent nanoparticles in the visible range", P. Audebert, G. Clavier, V. Alain-Rizzo, E. Deleporte, S. Zhang, J.-S. Lauret, G. Lanty, and C. Boissière. Chemistry of materials 21, 210 (2009)
5. "UV polaritons at room temperature in a microcavity containing perovskites", G. Lanty, J.-S. Lauret, E. Deleporte, S. Bouchoule and X. Lafosse.Journal of Luminescence129, 12, 1985 (2009)
6. "Strong-coupling regime at room temperature in one-dimensional microcavities containing ultraviolet- emitting perovskites", G. Lanty, J.-S. Lauret, E. Deleporte, S. Bouchoule and X. Lafosse. To be published in Superlattices and Microstructures
Liste des communications et conférences
1. Journées nationales en nanosciences et nanotechnologies, Paris, 25-29 septembre, 2007 (poster) 2. Journée de conférences C’nano IdF, Paris, 6 février 2008 (poster)
3. École d’été C’nano IdF 2008, Paris, 22-27 juin 2008 (poster)
4. International conference on luminescence and optical spectroscopy of condensed matter (ICL’08), Lyon, 7-11 july 2008 (poster)
5. Journées de la matière condencée 11, Strasbourg, 25-29 août 2008 (poster) 6. Optics of excitons in confined systems, Madrid, 7-11 september 2009 (poster)
