Ingénierie des propriétés optiques des métamatériaux semiconducteurs à base d’oxyde de zinc

Engineering the optical properties of zinc-oxide semiconductor metamaterials

• Auteur / Autrice : Mario Ferraro
• Direction : Patrice Genevet, Massimo Giudici
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 12/12/2019
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Nice (1965-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche sur l'hétéro-épitaxie et ses applications (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Arnaud Garnache
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arnaud Garnache, Angela Vasanelli, Guillaume Saint-Girons, Stefano Maci, Marc Sorel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Angela Vasanelli, Guillaume Saint-Girons

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polaritons

Oxyde de zinc

Métamatériaux

Mots clés libres

Métamateriaux

Oxyde de zinc

Polaritons

Metamaterials

Zinc oxide

Polaritons

Résumé

Dans le cadre de l'ingénierie des propriétés optiques des matériaux, ce travail de thèse a proposé deux nanostructures semi-conductrices innovantes à base de ZnO. La première consistait en un empilement suspendu de puits quantiques de ZnO-ZnMgO dont la distribution des modes guidés est modifiée par un réseau sous-longueur d'onde de SiO2. En particulier, une dispersion présentant deux minima a été réalisée. Une telle dispersion particulière permet, en principe, la formation simultanée de deux condensats de polaritons dégénérés, distingués uniquement par leurs valeurs du vecteur k. Une structure suspendue mécaniquement stable a été réalisée. Cependant, certains problèmes de fabrication, entraînant des effets de diffusion néfastes lors de la caractérisation optique, doivent encore être résolus afin d'améliorer la qualité des échantillons. La deuxième structure que nous avons proposée est un métamatériau hyperbolique fonctionnant aux fréquences dans les moyennes IR, dont la dispersion est fonction de la transition entre sous-bandes. Une telle résonance peut être utilisée pour ajuster le comportement optique d'une structure à puits quantiques afin d'obtenir une réfraction négative. Nos résultats peuvent être vus dans un cadre plus général : nous avons mis au point un modèle permettant de déterminer qu’une résonance de type lorentzien peut être utilisée pour fournir un comportement du type métamatériel hyperbolique ainsi que une réfraction négative. Nos résultats relient pour la première fois les concepts de la transition intersousbande aux métamatériaux hyperboliques et ouvrent la voie à la réalisation de dispositifs basés sur la transition intersousbande. En termes de perspectives, nous avons également proposé une façon intuitive de résoudre la forte absorption caractérisant les HMM. Ces derniers est un des inconvénients les plus critiques limitant leur utilisation dans des applications réelles.

In the framework of engineering the optical properties of materials, this thesis work proposed two innovative ZnO semiconductor nanostructures. The first one consisted of a suspended ZnO-ZnMgO multiple quantum wells slab whose guided modes distribution is modified by an SiO2 subwavelength grating. In particular, a dispersion featuring two minima was realized. Such a peculiar dispersion allows, in principle, the simultaneous formation of two degenerate polariton condensates, distinguished only by their k-vector values. A mechanically stable suspended structure has been realized. However, some fabrication issues, resulting in detrimental scattering effects during the optical characterization, still have to be fixed in order to improve the samples quality. The second structure that we proposed is a hyperbolic metamaterial working at mid-IR frequencies, whose dispersion is driven by the intersubband transition. Such a resonance can be used to tune the optical behavior of a multi-quantum wells structure up to achieve negative refraction. Our results can be seen in a more general framework: we have developed a toymodel able to determine that a lorentzian-like resonance can be used to provide hyperbolic metamaterial behavior and negative refraction. Our results connected for the first time the concepts of intersubband transition with hyperbolic metamaterials and open the way to the realization of quantum intersubband transition based devices. In term of perspectives, we have also proposed an intuitive way to overcome the high absorption characterizing HMM. The latter being one of the most critical drawback limiting their deployment in realistic applications.