Dispositifs photoniques actifs à base de molécules à transition de spin

Active photonic devices based on spin crossover molecules

• Auteur / Autrice : Lijun Zhang
• Direction : Lionel Salmon, Gábor Molnár
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 20/09/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie de Coordination (Toulouse ; 1974-....)
• Jury : Président / Présidente : Georges Landa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Salmon, Gábor Molnár, Georges Landa, Grace Morgan, Maciej Lorenc, Stéphane Calvez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Grace Morgan, Maciej Lorenc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transition de spin

Solides moléculaires

Photonique

Mots clés libres

Transition de spin

Couches minces

Cavités optiques

Couplage lumière-matière

Spin crossover

Thin films

Optical cavities

Light-matter coupling

Résumé

Cette thèse se focalise sur l'étude des matériaux moléculaires à transition de spin (SCO) et vise à utiliser le changement des propriétés optiques accompagnant la commutation de l'état de spin pour concevoir des dispositifs optiques actifs. Plus précisément, deux objectifs de recherche ont été poursuivis. D'une part, nous exploitons la variation de l'indice de réfraction de ces matériaux, DELTAn, entre les états bas-spin (LS) et haut-spin (HS), pour concevoir des résonateurs optiques thermiquement accordables, fonctionnant dans la gamme spectrale du visible. D'autre part, nous exploitons le changement du coefficient d'extinction, DELTAk, lors de la transition de spin, pour explorer les effets de couplage lumière-matière qui peuvent exister entre les molécules SCO et les modes électromagnétiques de cavité. Pour le premier objectif, des cavités Fabry-Pérot Ag/SCO/Ag ainsi que des résonateurs bicouches Ag/SCO ont été fabriqués en incorporant le complexe à transition de spin [Fe(HB(1,2,4-triazol-1-yl)3)2]. Nous avons montré que la commutation des molécules de l'état LS vers l'état HS entraine des déplacements spectraux importants des modes de résonance de la cavité vers le bleu (jusqu'à 30 nm), ainsi qu'une modulation notable du signal optique associé (jusqu'à 70 %). Ces différents effets ont été rationalisés via des simulations de matrices de transfert. Nous avons montré que ces propriétés de modulation optique peuvent être utilisées pour des applications concrètes de limitation optique. Pour le second objectif de ce travail de thèse, des structures résonantes bicouches Al/SCO ont été fabriquées en utilisant deux complexes isomères, [Fe(HB(1,2,4-triazol-1-yl)3)2] et [Fe(HB(1,2,3-triazol-1-yl)3)2], qui présentent respectivement une transition de spin thermique abrupte et graduelle entre les états LS et HS. La mise en résonance des modes optiques avec les bandes d'absorption moléculaires nous a permis d'atteindre un régime de couplage fort lumière-matière avec des énergies de Rabi allant jusqu'à 550 meV. Nous avons montré que la commutation des molécules entre les deux états de spin permet un contrôle fin de la force de ce couplage lumière-matière, en raison du changement du coefficient d'extinction du matériau pendant la transition de spin. Dans le cadre de cette thèse, nous montrons que les composés SCO constituent une classe prometteuse de matériaux optiques à changement de phase permettant un contrôle actif des dispositifs photoniques.

This thesis focuses on molecular spin crossover (SCO) materials and aims at using the changes in optical properties accompanying the spin state switching to conceive active optical devices. Specifically, we follow two research strategies. On one hand, we harness the variation of the refractive index, DELTAn, between the low spin (LS) and high spin (HS) states to fabricate thermally tunable optical resonators working in the visible wavelength range. On the other hand, we exploit the change of the extinction coefficient, DELTAk, upon the spin transition to explore the light-matter coupling effects that can exist between SCO molecules and electromagnetic modes in optical cavities. For the first aim, Ag/SCO/Ag Fabry-Pérot cavities and Ag/SCO bilayer resonators were fabricated incorporating the SCO complex [Fe(HB(1,2,4-triazol-1-yl)3)2]. The switching of SCO molecules from the LS to the HS states caused significant blue shifts of the cavity resonances (up to 30 nm), associated with large optical modulations (up to 70 %), which were rationalized by transfer-matrix simulations. We leveraged these properties to demonstrate prospects for applications in optical limiters. For the second aim, Al/SCO bilayer cavities were fabricated using two isomeric SCO complexes, [Fe(HB(1,2,4-triazol-1-yl)3)2] and [Fe(HB(1,2,3-triazol-1-yl)3)2], displaying abrupt and gradual SCO behaviors, respectively. The appropriate tuning of the cavity resonances allowed us to achieve light-matter strong coupling in both systems with Rabi-splitting energies up to 550 meV. We demonstrated that the thermally induced switching of molecules between the two spin states allows a fine control of the light-matter hybridization strength, due to the change in the extinction coefficient during the spin transition. Through this thesis, we show that SCO compounds constitute a promising class of optical materials, providing scope for active tuning and reconfiguration of photonic devices.