Dispositifs à base de graphène pour la technologie térahertz

Graphene-based devices for terahertz technology

• Auteur / Autrice : Panhui Huang
• Direction : Juliette Mangeney, Qingyuan Jin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 16/07/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres en cotutelle avec East China normal university (Shanghai)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de l'ENS (Paris ; 2019-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Lesueur
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Juliette Mangeney, Qingyuan Jin, Jérôme Lesueur, Émilien Peytavit, Guohong Ma, Miriam Serena Vitiello, Yiming Zhu
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Émilien Peytavit, Guohong Ma

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chimie physique et théorique

Mots clés libres

Terahertz

Graphene

Laser

Résumé

Le rayonnement THz est extrêmement attractif pour les études fondamentales de la matière et pour les applications émergentes, telles que la sécurité, l'imagerie médicale et la spectroscopie. Cependant, la gamme spectrale THz reste l'une des régions spectrales les moins exploitées, principalement en raison du manque de sources/amplificateurs THz puissants et compacts et de dispositifs passifs performants. Cette thèse concerne le développement de dispositifs THz avancés à base de graphène. Dans le premier projet, nous avons étudié la durée de vie des porteurs photo-excités dans des hétérostructures de van der Waals à base de graphène-hBN sous éclairement moyen-infrarouge. Nous avons rapporté, grâce à des mesures de photoconductivité dans le moyen infrarouge, que la durée de vie des porteurs photo-excités en faible densité et à faible énergie dans un tel dispositif est de ~ 30ps. En allumant les phonons polaritons hyperboliques du hBN via une pompe électrique ou optique, nous avons démontré que la durée de vie des porteurs photoexcités s’ajuste de ~ 30ps à quelques picosecondes. Ce projet ouvre des perspectives intéressantes pour la réalisation d’un laser THz en exploitant des hétérostructures à base de graphène/hBN, pour le dévelopement de photodétecteurs THz très sensibles ainsi que pour l'optique à phonons polaritons.Le deuxième projet est centré sur l’étude des dispositifs originaux à base de guides d’onde hybrides semiconductor-metal couplés à une couche de graphene. Ces dispositifs, qui sont faciles à fabriquer, peuvent agir comme des modulateurs THz et des amplificateurs THz. D'abord, nous avons étudié numériquement la relation de dispersion des deux modes fondamentaux de propagation de ces guides d’onde hybrides. Puis, nous avons caractérisé expérimentalement ces guides d'ondes hybrides couplés à du graphène en utilisant un système de spectroscopie THz avec le domaine temporel. Nous avons démontré que ces dispositifs peuvent agir comme des modulateurs Mach-Zehnder at 2 THz and 5.7 THz, les fréquences de coupures des modes propres TE0 et TE1 respectivement. Ce projet ouvre des perspectives intéressantes pour la modulation d’ondes THz et représente aussi une étape importante pour la réalisation d’un laser THz.

THz radiation is extremely attractive for fundamental investigations of matter and emerging applications including, for example, security screening, medical imaging, and spectroscopy. However, the THz spectral range remains one of the least exploited spectral regions, mainly due to the lack of compact powerful THz sources/amplifiers and passive devices. This thesis concerns the development of advanced THz devices based on graphene material. The first project focuses on the carrier lifetime in neutral graphene-hBN van der Waals heterostructures under mid-infrared illumination. The carrier lifetime in such device for photoexcited carriers at low density and energy is reported to be ~30ps using mid-infrared photoconductivity measurements. By igniting the hyperbolic phonon polaritons in hBN via an electrical or optical pump, we demonstrate that the carrier lifetime is switched from ~30ps down to few picoseconds. This project opens interesting perspectives for the development of THz lasers by exploiting graphene/hBN heterostructures, for the realization of highly sensitive THz photodetectors as well as for phonon polariton optics. A second project reports on original devices based on hybrid semiconductor-metal waveguides coupled to the graphene layer. These devices, which are easy to fabricate, can act as THz amplitude modulators and THz amplifiers. First, we numerically investigate the dispersion relation of the two fundamental propagation modes of these hybrid waveguides. Then, we experimentally characterize these graphene-coupled waveguides using THz time-domain spectroscopy. We demonstrate that these devices act as Mach-Zehnder modulators at 2 THz and 5.7 THz, the cut-off frequencies of TE0 and TE1 modes respectively. This project opens interesting perspectives on the modulation of THz waves and represents an important building block for the realization of THz lasers.