Lasers à base de pérovskites hybrides halogénées

par Hugo Levy--Falk

Projet de thèse en Optique et photonique

Sous la direction de Emmanuelle Deleporte, Damien Garrot et de Fabien Bretenaker.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière , en partenariat avec LUMIN - Laboratoire Lumière-Matière aux Interfaces (laboratoire) et de Faculté des sciences d'Orsay (référent) depuis le 01-10-2020 .


  • Résumé

    Depuis 2012, les pérovskites organiques hybrides HOP de formule chimique (RNH3)2(CH3NH3)m-1PbmX3m+1 (R: groupement organique, X: halogène) sont à l'origine d'une rupture technologique dans le domaine du photovoltaïque: le record de rendement des cellules solaires à base de HOP a atteint 25,2% en 2019. Plusieurs propriétés décisives de ce matériau expliquent cette percée spectaculaire: bonnes propriétés de transport ambipolaire, mobilités de l'ordre de quelques 10aines cm2V-1s-1, grandes longueurs de diffusion des porteurs de l'ordre de 100aines de nm, une ingéniérie de bande interdite facilement réalisée par substitution de X ou modification de la composition (paramètre m). Récemment, il est apparu que les propriétés du HOP sont également très intéressantes pour les dispositifs électroluminescents car les HOP combinent les forces des semi-conducteurs inorganiques (bonne mobilité) et des semi-conducteurs organiques (grande émission stimulée). Dans des études récentes (1,2), une émission spontanée amplifiée (ASE) dans des couches minces de HOP a été démontrée à température ambiante, ouvrant la voie aux lasers à base de HOP et même aux lasers à injection électrique en raison des bonnes propriétés de transport de ce matériau. De plus, ces lasers permettront de résoudre le problème du «green gap» des sources laser (le «green gap» se réfère au fait que les diodes laser émettant directement de la lumière verte sont rares et non performantes) puisqu'une bande interdite dans le vert peut être facilement obtenue en choisissant la nature de X ou la valeur de m. Le groupe du LUMIN a démontré très récemment l'effet laser dans une microcavité verticale contenant une pérovskite 3D. Cependant, les performances des composants optoélectroniques à base de HOP sont limitées par la faible cristallinité des couches minces de HOP, qui affecte considérablement les longueurs de diffusion de l'exciton et la mobilité des porteurs de charge. Nous avons récemment développé une méthode de synthèse pour obtenir des couches minces monocristallines de HOP: Anti-Solvant Vapor-assisted Capping Crystallisation (5). Ces couches minces présentent une épaisseur de plusieurs centaines de nm et une très grande surface de plusieurs millimètres, ne contenant pratiquement aucun défaut, faisant de ces couches minces de bons candidats pour réaliser des lasers HOP. Nous réaliserons des microcavités laser contenant ces fines couches monocristallines comme matériau actif et les propriétés d'émission laser seront étudiées avec une excitation optique pulsée et continue dans la cavité. En particulier, le seuil d'émission spontanée amplifiée (ASE), le gain optique, la photostabilité au-dessus de l'ASE seront étudiés par photoluminescence, micro-photoluminescence, photoluminescence résolue en temps et spectroscopie pompe-sonde femtoseconde en fonction de la température. Le groupe du LUMIN possède une grande expertise sur les pérovskites hybrides pour l'émission laser (3-7): optimisation et propriétés optiques du matériau, introduction du matériau en microcavités verticales fonctionnant en régime de couplage fort dans le cadre de lasers polaritons Il travaillera en collaboration avec F. Bretenaker qui est un célèbre spécialiste des lasers de puissance et des lasers à très faible bruit (8) . Ce travail sera réalisé dans le cadre du projet EMIPERO ANR.

  • Titre traduit

    Hybrid halide perovskites based lasers


  • Résumé

    Since 2012, the hybrid organic perovskites HOP of chemical formula (RNH3)2(CH3NH3)m-1PbmX3m+1 (R: organic group, X: halogen) represents a “material breakthrough”, particularly for photovoltaïcs: the efficiency record of HOP based solar cells has reached 25,2% in 2019. Several decisive properties of this material explain this spectacular breakthrough: good ambipolar transport properties, mobilities as high as several10 cm2.V-1.s-1, large diffusion lengths of the carriers of the order of hundreds of nm, a bandgap tuning easily performed by substitution of X or modification of the composition (m parameter). Recently, it appears that the properties of the HOP are very interesting also for light emitting devices because HOPs combine strengths of the inorganic semiconductors (high mobility) and organic semiconductors (large stimulated emission). In recent studies 1-2, amplified spontaneous emission (ASE) in HOP thin layers has been demonstrated at room temperature (1,2), opening the way to HOP-based lasers and even to electrically injected lasers due to the good transport properties of this material. Additionnally, these lasers will allow to address the problem of the “green gap” of the laser sources (the “green gap” refers to the fact the laser diodes emitting directly green light are rare and not performing) as a bandgap in the green range can be easily obtained by choosing the nature of X or the value of m. 3 LUMIN group has demonstrated very recently some lasing action in a vertical microcavity containing a 3D perovskite. However performances of the HOP-based opto-electronic devices are limited by the low crystalllinity of the thin HOP layers, which affects drastically the exciton diffusion lengths and the carriers mobility. LAC team has recently developed a synthesis method to obtain monocrystalline thin layers of HOP (fig 2): the “Anti-Solvant Vapor-assisted Capping Crystallisation” (AVCC method) (5). These thin layers present a thickness of several hundreds of nm and a very large surface of several millimeters, containing practically no defects, making these thin layers good candidates to realize HOP lasers. We will realize lasing microcavities containing these thin monocrystalline layers as the active material and the laser emission properties will be studied with pulsed and continuous optical excitation in cavity. In particular, the Amplified Spontaneous Emission (ASE) threshold, optical gain, photostability above the ASE will be studied using photoluminescence, micro-photoluminescence, time-resolved photoluminescence and femtosecond pump-probe spectroscopy as function of temperature. LUMIN group has a huge expertise of hybrid perovskites for laser emission: optimization and optical properties of the material (3-7), introduction of the material in vertical microcavities working in the strong coupling regime in the framework of polaritons lasers 4,6-7, and will work in collaboration with F. Bretenaker is a famous specialist of power lasers and very low noise lasers (8). This work will be done in the framework of the EMIPERO ANR project.