Matériaux à changement de phase (PCM) pour la réalisation de dispositifs térahertz reconfigurables

Phase change materials (PCM) for the reconfiguration of terahertz devices

• Auteur / Autrice : Maxime Pinaud
• Direction : Aurelian Crunteanu-Stànescu, Georges Humbert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microelectronique, optique et lasers, optoelectronique microondes robotique
• Date : Soutenance le 24/11/2021
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie des Systèmes, Mathématiques, Informatique (Limoges ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aurelian Crunteanu-Stànescu, Georges Humbert, Jan Balzer, Patrick Mounaix, Bernd Fischer, Sebastian Engelbrecht
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Laur, Frédéric Garet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transitions de phases

Rayonnement terahertz

Dispositifs optoélectroniques

Mots clés libres

Dispositifs reconfigurables

Matériaux à changement de phase

GeTe

Activation optique

Térahertz

Reconfigurable devices

Phase change materials

GeTe

Optical activation

Terahertz

Résumé

Les dispositifs multifonctionnels sont essentiels pour le développement de nouveaux appareils connectés intégrant de nouvelles applications dans tous les aspects de la vie quotidienne (réalité augmentée, réalité virtuelle, voitures à conduite autonome, villes intelligentes, etc.).Cependant, leur développement nécessite encore des fonctions agiles efficaces opérant dans le domaine térahertz. Les matériaux à changement de phase à base de chalcogénure avec des réponses large bande, des transitions non volatiles et réversibles entre les phases isolantes (amorphes) et conductrices (cristallines) ont été étudiés avec succès comme éléments agiles dans des applications photoniques ou électroniques.Dans ce manuscrit, nous proposons d'utiliser le tellurure de germanium (GeTe) comme élément agile pour la réalisation de dispositifs térahertz optiquement reconfigurables. Pour cela, nous avons démontré le contrôle optique d'états spécifiques du GeTe et caractérisé ses propriétés térahertz. L'excellent contraste des propriétés térahertz du matériau dans les deux états a été utilisé pour réaliser un métamatériau hybride basé sur des structures métalliques de type «split ring resonator» (SRR)intégrant des motifs de GeTe pouvant réaliser une modulation induite optiquement des ondes térahertz incidentes. Nous démontrons également la faisabilité de dispositifs térahertz entièrement diélectriques à base de GeTe présentant une réponse à large bande et des modulations élevées de la réponse térahertz. Ainsi, cette approche hautement fonctionnelle basée sur des dispositifs térahertz multi-opérationnels non-volatils contrôlés optiquement et intégrant des PCMs ouvre une nouvelle voie pour le développement de dispositifs dans le domaine térahertz comme les métasurfaces programmables ou les métamatériaux de codage entièrement diélectrique avec des capacités multifonctionnelles pour la manipulation du champ térahertz.

Multifunctional devices are crucial for the development of new connected devices integrating new applications in all aspects of daily life(augmented reality, virtual reality, self-driving cars, smart cities, etc). However, their expansion is still requiring efficient agility functions operating in the terahertz domain. Chalcogenide phase change materials with broadband responses, non-volatile and reversible transitions between insulating (amorphous)and conducting (crystalline) phases were successfully investigated as agile elements in photonics or electronics applications. In this manuscript, we proposed to use germanium telluride (GeTe) PCM as an agile element for the realization of optically reconfigurable terahertz devices. For that, we demonstrated optical control of specific states of the GeTe and characterized its terahertz properties. The excellent contrast of the material’s terahertz properties in the two dissimilar states was used to realize hybrid metamaterial based on split-ring-resonator metallic structures integrating GeTe patterns which can achieve optical-induced modulation of incident terahertz waves. We also demonstrated the feasibility of all dielectric GeTe-based terahertz devices presenting broadband response and high modulations of the terahertz response. Thus, this highly functional approach based on non-volatile optically controlled multi-operational terahertz devices integrating PCMs opensa new path for devices developments in the terahertz domain like field-programmable metasurfaces, all-dielectric coding metamaterials with multifunctional capabilities for terahertz field manipulation.