Photonique organique et nanostructures
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Photonique organique et nanostructures Convention technologique LPL Mardi 19 juin Opération soutenue par l’Etat / fonds national d’aménagement et de développement du territoire. 13/06/2012 19/06/2012 Photonique Organique et Nanostructures F. Gourdon, A. Coens, G. Ayenew M. Chakaroun, N. Fabre, M. Lee A. Fischer, A. Boudrioua 1 Vers les diodes lasers organiques … ‐ Est‐il possible de réaliser une diode laser organique pompé électriquement? ‐ Quelle hétéro‐structure organique? ‐ Quel type de cavité (microcavité)? ‐ Comment optimiser les propriétés optiques et électriques? OLED et lasers organiques o Laser organiques pompé optiquement o Laser organiques à cristaux photoniques 2D o Laser organique à cavité verticale o Pompage électrique Intérêts et applications ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ Source accordable dans le visible Bas coût, compacité, légèreté Télécoms par fibre plastique Capteurs chimique, biologiques Diagnostique médical, lab‐on‐chip 2 1 13/06/2012 Vers les diodes lasers organiques: limitations o Faible confinement optique (n=1,7 soit R = 6%) o Faible densité de courant (< 1A/cm² en régime continu) o Forte absorption : • Electrique : Absorption polaronique • Optique : Annihilation singulet–triplet (TTA) 9 Placer l’OLED à l’intérieur d’un résonateur 9 Pompage électrique en régime impulsionnel: • Densité de courant plus élevée (>1kA:cm²) • Densité des états triplets moins élevée • Une mobilité de charge plus importante et donc une densité de polarons plus faible 9 Diminuer le seuil laser 3 Vers les diodes lasers organiques: stratégie Top down Vertical microcavity 1D High Q Bottom up Photonic crystal 2D Low mode volume Inverse opale 2D – 3D Defect cavity in PC Extended cavity - nanoparticles with the OLEDs ANR OLD TEA Blanc 090701 4 2 13/06/2012 OLED en microcavité verticale de type VECSEL Présentation de la structure : ¾ Modélisation optique de la cavité par les équations de Maxwell via les matrices de transfert TiO2 TiO2 ¾ Indices complexes des matériaux Heterostructu re organique TiO2 TiO2 Spectre de transmission I(λ) M. Chakaroun, A. Coens, & Al. “Optimal design of a microcavity organic laser device under electrical pumping“ Vol.19,No.2 / Optics Express 493 (2011) 5 OLED en microcavité verticale de type VECSEL Hétéro‐structure Organique : ¾ « Band engineering » : λ/4 Substrat (verre) Alq3 DCM ¾ Dopage 2% DCM dans Alq3 ¾ Transfert de Förster ¾ Diminuer le quenching 6 3 13/06/2012 OLED en microcavité verticale de type VECSEL Superior mirror TiO2 TiO2 Organic heterostructure Inferior mirror ¾ 2 résonances: • Entre les deux miroirs diélectriques • Entre le miroir diélectrique inférieur et l’aluminium (indésirable) TiO2 TiO2 7 OLED en microcavité verticale de type VECSEL Superior mirror TiO2 TiO2 Organic Heterostructure organique heterostructure Inferior mirror ¾ 2 résonances: • Entre les deux miroirs diélectriques • Entre le miroir diélectrique inférieur et l’aluminium (indésirable) TiO2 TiO2 8 4 13/06/2012 OLED en microcavité verticale de type VECSEL Optiquement • A partir de 10 nm d’aluminium, l’effet cavité miroir multicouche/Al disparait Heterostructure organique Electriquemen t • Diminuer l’épaisseur d’aluminium augmente le seuil de l’OLED TiO2 TiO2 9 OLED en microcavité verticale de type VECSEL Le pompage optique, pour aller vers l’électrique … Pump Pulse Laser, 355nm Miroirs multicouches (600-650 nm) Contrôle Puissanc e qqles µm Laser 532 nm (alignement) Franges d’interférences (Parallélisme des miroirs) ¾ ¾ ¾ ¾ z Détecteur Ocean Optics Organiques Validation du banc expérimental Etude sur le gain Etude sur le seuil Impact des pertes optiques typiques au pompage électrique 10 5 13/06/2012 OLED en microcavité verticale de type VECSEL ¾ Etude de la cavité miroir DBR/Al o Efficacité de l’hétéro-structure organique o Impact de l’aluminium ¾ Etude en environnement contrôlé (boîte à gant) ¾ Etude impulsionnelle électrique ¾ Etude des µ-OLED en cavité ¾ Modélisation du comportement optique et électrique 11 OLED en microcavité à cristal photonique 2D µ-cavité à cristal photonique Un laser organique sous pompage électrique? 12 6 13/06/2012 OLED en microcavité à cristal photonique 2D • Simulation numérique FDTD 3D : R-Soft - Détermination du BIP sur la plage d’émission de l’organique : λ~[590nm;680nm] - Evaluation du facteur de qualité Q~λ/∆λ avec λémission ~ 620nm • Différentes typologies étudiées : – Variation locale de la géométrie du réseau en bord de cavité – Structures alternatives Cavité H2 Cavité L3 Heterostructure Linedefect 13 OLED en microcavité à cristal photonique 2D • Fabrication de cristaux photoniques (collaboration LPN) – Lithographie E-beam dans une résine électrosensible hautement résolue (ma-N ) : dimension critique ~ 100 nm – Gravure ICP-RIE (CHF3- O2) ; anisotrope, faible rugosité, profondeur ~ 440 nm dans Si3N4 – CP au sein d’un guide – Dépôt d’organique (e ~ 280 nm) sur CP : Uniforme Vue de dessus Vue de coupe d’un Cristal Photonique + dépôt organique 14 7 13/06/2012 OLED en microcavité à cristal photonique 2D • Analyse spatiale et spectrale – Réduction de la zone de mesure : • zone localisée ~ 3 µm2 – Mesure spectrale de la résonance de cavité Pumping source: Nd: YAG laser tripled at 355 nm 5ns, 10Hz CCD Objective lens Optical fiber X10 Spectrum analyser X50 Substrate Schéma expérimental du banc de caractérisation Vue de la camera d’un Cristal Photonique Zoom : Image MEB de la cavité 15 OLED en microcavité à cristal photonique 2D ► Caractérisation de la résonance d’une cavité H2 ► Avec dépôt d’une couche organique (280nm) ► Co-évaporation d’AlQ3 dopée avec 2 % de DCJTB ► Pompage optique (@ 355 nm) à 10 Hz Pump source Organic Alq3: 2% DCJTB Optical system to collect light from the µ‐cavity Photonic crystal micro‐cavity Si3N4 SiO2 Glass substrat Schéma expérimental de la caractérisation Spectre absorption et d’émission de Alq3 et du DCJTB 16 8 13/06/2012 OLED en microcavité à cristal photonique 2D ► Caractérisation du seuil de la cavité H2 ► Avec dépôt d’une couche organique (280 nm) ► Décalage spectral observé en λ ~660 nm Δλ ~ 40 nm due à la modification de l’indice effectif du milieu Spectre d’émission de la cavité avant et après le seuil Puissance de sortie vs de la puissance de pompe Un pic laser à 656 nm est observé avec un seuil de 0,014 nJ 1ère Démonstration : Emission d’une cavité à CP planaire + OLED sous pompage optique 17 OLED en microcavité à cristal photonique 2D ¾ Conception et Réalisation d’un Cristal Photonique ¾ Mise au point d’un banc de caractérisation de structures photoniques ¾ Démonstration d’une émission laser dans une µ-cavité à CP planaire sous pompage optique ¾ Validation de la cavité à Cristal Photonique avec un milieu à gain organique ¾ Vers le pompage électrique ¾ Conception d’un CP dans l’ITO 18 9 13/06/2012 Conclusion et perspectives … Cristaux photoniques dans l’ITO Etude de l’émission laser d’une OLED à cristaux photoniques 2D en régime impulsionnel Etude d’une cavité VECSEL organique ¾ Plasmonique moléculaire en micro‐cavité ¾ Etude des sources organiques émettant dans l’IR pour des applications télécoms 19 10 Rencontres LPL-Optics Valley 19 juin 2012 Equipe « Photonique organique et nanostructures » (PON) : Groupe « Lasers organiques pompés optiquement » : Oussama Mhibik (post-doc), Tatiana Leang (doc), Alain Siove, Sébastien Forget, Sébastien Chénais. Applications des sources laser accordables dans l’UV/visible : spectroscopie, capteurs chimiques ou biologiques, recherche, displays (RVB) Lasers à colorant liquide OPO (OPA, OPG…) Sources à supercontinuum Un point commun : coût élevé Sébastien Chénais, 19 juin 2012 – Rencontres LPL/Optics Valley 2 2 Laser organique ou plastique = lasers à « colorant » solide (rhodamines, coumarines…) + lasers à semiconducteurs organiques (polyfluorenes, etc.) Très large accordabilité dans le visible En film mince = bas coût, fabrication en série: Technologies éprouvées : spin coating, jet d’encre… Facilité de mise en œuvre (≠ laser liquide) Limitations Spectre visible (no UV, no IR) Problèmes de photodégradation : durée de vie limitée Fonctionnement en continu problématique Sébastien Chénais, 19 juin 2012 – Rencontres LPL/Optics Valley bulk thin films 3 3 Vertical External Cavity Surface-emitting Organic Laser Caractéristiques principales Résonateur externe : faisceau limité par diffraction (TEM00 ) Pompage longitudinal: haut rendement de conversion Longues cavités possibles (cm)→ flexibilité pour l’insertion d’éléments intracavité Spin coating 1 2 Sébastien Chénais, 19 juin 2012 – Rencontres LPL/Optics Valley 3 4 4 Energie : 30 µJ (4.2 kW puissance crête) Rendement = 60% Faisceau limité par diffraction (≠ autres lasers organiques) : M²=1.01 Sébastien Chénais, 19 juin 2012 – Rencontres LPL/Optics Valley 5 5 Comment étendre l’accordabilité des lasers organiques vers l’UV ? → Utiliser un doublement de fréquence intracavité C’est possible car : faiseau TEM00 + intensité intracavité élevée + cavité ouverte Sébastien Chénais, 19 juin 2012 – Rencontres LPL/Optics Valley 6 6 Concept « vecspresso » (breveté) : laser à « capsules » interchangeables Coupleur de sortie 355 nm, 25 ns, 10 Hz pump laser Free running spectrum Étalon (film PMMA autosupporté de 2 µm) Normalized Intensity (a.u) 1,0 Rh 640 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 620 630 640 650 660 670 680 690 Wavelength (nm) Sébastien Chénais, 19 juin 2012 – Rencontres LPL/Optics Valley 7 7 Accordabilité continue sur 230 nm (440-670 nm) avec seulement 5 capsules de gain Sébastien Chénais, 19 juin 2012 – Rencontres LPL/Optics Valley 8 8 Prolongements : recherche d’applications pour valoriser le dispositif, valoriser la source laser elle-même (FIE, industriel ?) Notre groupe en bref : Autres activités : physique des OLEDs et des lasers organiques, plasmonique organique Collaborations nationales et internationales : Institut d’Optique, Ecole Polytechnique (LPICM), Université de Nantes, ENS Cachan, CREOL, Institut de Physique de Zagreb. Financements : ANR, Université Paris 13, ROP, etc. Pour en savoir plus : Sébastien Chénais, 19 juin 2012 – Rencontres LPL/Optics Valley 9 9
