Conception computationnelle de matériaux 2D multi-états photosensibles à optique non linéaire avec contrôle sélectif de la longueur d'onde

Computational design of photosensitive multistate nonlinear optical 2D materials with wavelength-selective control

• Auteur / Autrice : Matt Hugget
• Direction : Frédéric Castet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Inscription en doctorat le 19/07/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Moléculaires
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Chimie Théorique (THEO)

Mots clés

Mots clés libres

Matériaux 2D

Optique non linéaire

Calculs de chimie quantique

Simulations de dynamique moléculaire

2D materials

Nonlinear optics

Quantum chemistry calculations

Molecular dynamics simulations

Résumé

La conception de matériaux réactifs permettant la commutation à distance et réversible de leurs propriétés optiques est l'un des plus grands défis pour le développement de dispositifs photoniques. Dans ce contexte, les composés organiques photochromiques ont été largement étudiés et intégrés dans une variété d'applications telles que les portes logiques ou les mémoires optiques. Cependant, la plupart des dispositifs optiques reposent sur la spectroscopie d'absorption linéaire à la fois pour l'écriture/l'effacement et la lecture des informations sur le matériau, ce qui entraîne souvent des processus de lecture destructeurs, car l'état des molécules photochromiques est facilement altéré par l'irradiation. L'exploitation de la réponse optique non linéaire (ONL) des molécules pour l'étape de lecture, en particulier la génération de seconde harmonique (SHG), confère au contraire aux dispositifs une capacité de lecture non destructive. En outre, le développement de dispositifs de mémoire à haute capacité de stockage nécessite l'introduction de plus d'un composant photocommutable par unité moléculaire, ce qui permet la création de spots moléculaires à n bits. Pour des applications pratiques, ces systèmes multi-états doivent toutefois présenter un contrôle réversible et orthogonal de la longueur d'onde, permettant à chaque composant d'être contrôlé indépendamment et sans tenir compte de l'ordre d'adressage, ainsi qu'une variation SHG significative lors de la photocommutation, permettant la détection sélective de chaque état. La première étape de ce travail de recherche consistera à appliquer des techniques de chimie computationnelle afin de comprendre en profondeur les différents facteurs qui déterminent l'efficacité des commutateurs ONL à plusieurs états, et de fournir des stratégies pour la conception systématique de systèmes optimaux. La deuxième étape de la thèse portera sur la simulation de surfaces fonctionnalisées photoréceptives, avec une prise en compte explicite des effets dynamiques et environnementaux. Ceci constituera une avancée majeure dans la rationalisation de l'interaction entre la réponse ONL et l'arrangement supramoléculaire, permettant l'établissement de principes de conception prédictifs pour les matériaux ONL multi-états avec un contrôle sélectif de la longueur d'onde.

The design of responsive materials allowing remote and reversible commutation of their optical properties is one of the greatest challenges for the development of photonic devices. In this context, organic photochromic compounds have been extensively studied and integrated into a variety of applications such as logic gates or optical memories. However, most optical devices rely on linear absorption spectroscopy both for writing/erasing and reading information onto the material, which often results in destructive readout processes, since the state of the photochromic molecules is easily altered upon irradiation. Exploiting the nonlinear optical (NLO) response of the molecules for the reading step, in particular the second harmonic generation (SHG), instead confers non-destructive readout ability to the devices. In addition, the development of memory devices with high storage capacity requires introducing more than one photo-switchable component per molecular unit, which enables the creation of n-bit molecular spots. For practical applications, such multistate systems must, however, display reversible and orthogonal wavelength control, allowing each component to be controlled independently and irrespective of the order of addressing, together with significant SHG variation upon photoswitching, allowing the selective detection of each state. The first step of this research work will consist in applying computational chemistry techniques to gain an in-depth understanding of the various factors driving the efficiency of multistate NLO switches, and provide strategies towards the systematic design of optimal systems. The second step of the thesis will tackle the simulation of photo-responsive functionalized surfaces, with an explicit account of dynamic and environment effects. This will constitute a major breakthrough in the rationalization of the interplay between NLO response and supramolecular arrangement, allowing for the establishment of predictive design principles for multistate NLO materials with wavelength-selective control.