Gaëtan LANTY

Agrégé préparateurà l’École Normale Supérieure de Cachan

Rapport d’activités et perspectives

Octobre 2009

Table des matières

• Curriculum vitae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 1

• Rapport d’activités d’enseignement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 3

• Rapport d’activités de recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 6

• Projet de recherche et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 15

• Liste des publications, communications et conférences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 16

Gaëtan Lanty4, rue de Berry94230 Cachan

Tél : 01 78 54 84 02Portable : 06 30 41 89 54Mel : gaetan.lanty@ens-cachan.fr

27 ans, marié, 1 enfant.Français

Formation

2007-2010 : Préparation d’une thèse intitulée "Réalisation et étude des propriétés optiquesd’une microcavité hybride inorganique-organique en régime de couplage fort"au Laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire (LPQM) de l’ÉcoleNormale Supérieure de Cachan (ENS Cachan) sous la direction d’EmmanuelleDeleporte (Professeur des universités).Enseignement au département EEA (Électronique, Électrotechnique et Automatique)de l’ENS Cachan : physique (préparation à l’agrégation), conversion d’énergie(préparation à l’agrégation), traitement du signal (M1), et optimisation (L3).

Septembre 2007 : Recruté en tant qu’agrégé préparateur au département EEA de l’ENS Cachan.

Juillet 2007 : Obtention avec la mention Très Bien du Master IST (Information,Systèmes et Technologie), spécialité micro et nanotechnologies, parcoursrecherche, en habilitation partagée entre l’ENS Cachan et l’universitéParis-Sud 11 et validation de la 3e année du Magistère en EEA.

2006-2007 : Élève professeur en 4e année de l’ENS Cachan (ENS), département EEA.Master 2 IST , spécialité micro et nanotechnologies, parcours recherche, enhabilitation partagée entre l’ENS Cachan et l’université Paris-Sud 11.

Juillet 2006 : Reçu à l’agrégation de Sciences Physiques, option Physique Appliquée,rang : 1er ex æquo sur 19 admis.

2005-2006 : Élève professeur en 3e année de l’ENS Cachan.Préparation à l’agrégation de Sciences Physiques, option Physique Appliquée.

Juin 2005 : Validation de la 1re année du Master IST, mention Très Bien et validationde la 2e année du Magistère en EEA.

2004-2005 : Élève professeur en 2e année de l’ENS Cachan.Master 1 IST et 2e année du Magistère en EEA.

Juin 2004 : Obtention de la Licence en EEA de l’université Paris-Sud 11, mention TrèsBien et validation de la 1re année du Magistère en EEA.

2003-2004 : Élève professeur en 1re année de l’ENS Cachan.Licence en EEA et 1re année du Magistère en EEA.

Septembre 2003 : Intégration au département EEA de l’ENS Cachan.Juillet 2003 : Classé 141e au concours d’entrée de l’ENS Cachan.

2001-2003 : Maths Spé (PSI∗) au lycée Henri Loritz à Nancy (TIPE concernant le systèmede freinage ABS).

1

2000-2001 : Maths Sup (MPSI) au lycée Henri Poincaré à Nancy.

Juillet 2000 : Obtention du Baccalauréat Scientifique, mention Bien.1999-2000 : Terminale Scientifique au lycée Louis Majorelle à Toul.

Anglais courant (835 points au TOIEC en 2004)Word, Excel, PowerpointProgrammation en C, LabwindowsMaîtrise de Matlab, Simulink, Origin

Expériences professionnelles

Poste

Septembre 2007-août 2010 : Agrégé préparateur au département EEA de l’ENS Cachan.

Stages

Avril-août 2007 : stage de recherche dans le cadre de la 2e année du Master IST effectué au LPQM : Régimede couplage fort et couches minces de pérovskites auto-organisées.

Juin-juillet 2005 : stage de recherche dans le cadre de la 2e année de Magistère en EEA effectué au laboratoired’imagerie paramétrique (Paris 6e) : Étude des mécanismes intervenant dans l’atténuation des ultrasons dansl’os trabéculaire.

Octobre, novembre et décembre 2004 : stage pédagogique effectué au sein d’une classe de 1re S dulycée Gustave Eiffel à Cachan (participation au cours, élaboration et réalisation de TP, correction d’un devoirsurveillé).

Juillet-août 2004 : stage en entreprise dans le cadre de la 1re année de Magistère en EEA effectué ausupermarché Intermarché Toul-Ecrouves.

Autres

Mai 2007 : encadrement de séances de laboratoire de conversion d’énergie des élèves de l’ENS Cachan prépa-rant l’agrégation de Sciences Physiques, option Physique Appliquée.

2006-2007 : interrogation en physique pour la classe de PCSI du lycée Buffon (Paris 15e).

Août 2001, 2002 et 2003 : agent saisonnier pour la SAPRR (Société des Autoroutes Paris Rhin Rhône).

Loisirs

Tennis de table (classé 14).Course à pied (Marathon de Paris 2009 en 3 heures et 12 minutes).

2

Rapport d’activités d’enseignement(septembre 2007 - octobre 2009)

Depuis mon intégration en tant qu’agrégé préparateur (poste n̊ 0070) au sein du département EEA (Élec-tronique, Électrotechnique et Automatique) de l’ENS Cachan en septembre 2007, j’interviens dans trois niveauxde formation :

– en L3, je participe à l’encadrement des travaux pratiques (TP) de l’unité d’enseignement "Méthodesnumériques d’optimisation" (UE 355) de la licence de physique, parcours IST (Information, Systèmeset Technologie),

– en M1, je participe à l’encadrement des travaux dirigés (TD) et des travaux pratiques de l’unité d’en-seignement "Signal et image" (UE 451) du master IST,

– en préparation à l’agrégation de Sciences Physiques, option Physique Appliquée, j’assure l’encadrementdes séances de cours et TD intégrés de physique et je participe à l’encadrement des travaux pratiquesde conversion d’énergie.

Dans ce qui suit, je détaille mes enseignements dans chacun de ces trois niveaux puis j’expose quelques-unes desinterventions annexes en lien avec l’enseignement que j’ai effectuées durant ces deux dernières années. Enfin,dans le dernier paragraphe, un bilan synthétique est présenté.

1- Enseignements dans le cadre de la Licence IST

La 3e année de la Licence IST est un cursus de la Licence de physique de l’université Paris-Sud 11 quivise à former ses étudiants dans le domaine des sciences de l’ingénieur (électronique, conversion d’énergie,automatique, génie informatique, traitement du signal, etc.). Elle résulte d’une collaboration entre l’universitéParis-Sud et l’ENS Cachan. La promotion d’étudiants est donc composée à la fois d’élèves normaliens etd’étudiants issus du cursus universitaire.

Dans le cadre de cette licence, je participe à l’encadrement des cinq TP de l’unité d’enseignement "Méthodesnumériques d’optimisation" (UE 355) dont le cours est assuré par Michel Kieffer (Maître de conférences à Paris-Sud 11). L’objectif de ces TP est de mettre en pratique différents algorithmes d’optimisation vus en cours touten faisant découvrir aux étudiants le logiciel de calcul MatlabTM. Les thèmes abordés lors de ces TP sont trèsdivers : identification de systèmes, annulation d’écho, estimation des paramètres d’un moteur, localisation d’unvéhicule, estimation du mouvement dans une séquence d’images, optimisation globale, méthodes du gradientet de Gauss-Newton. À la fin de chaque séance de TP, je ramasse les comptes rendus (un par binôme). Je lescorrige et les note généralement pour la séance suivante.

Lorsque j’ai pris en charge ce travail d’enseignement en 2007, ces TP avaient déjà été écrits par cinqauteurs différents. Ma contribution a donc été de les faire évoluer en profitant de ma vision d’ensemble descinq TP. Par exemple, j’ai modifié en profondeur le TP n̊ 2 sur l’estimation des paramètres d’un moteur pourassurer la cohérence avec le cours et les autres TP. J’ai également réalisé un glossaire de commandes de basede MatlabTM nécessaires à l’ensemble des TP. Cette année, je travaille d’une part à une présentation sousforme de diporamas de l’introduction nécessaire à chaque TP et, d’autre part, je vais compléter l’ensemble desfonctions MatlabTM du TP n̊ 4 (optimisation globale) fournies aux étudiants pour leur permettre d’aborderl’ensemble du sujet dans le temps imparti.

2- Enseignements dans le cadre du Master IST

La 1reannée du Master IST constitue le prolongement naturel des enseignements dispensés dans le cadrede la 3eannée de la Licence IST. Cette année résulte également d’une collaboration entre l’université Paris-Sud et l’ENS Cachan. La promotion d’étudiants est donc également composée à la fois d’élèves normaliens etd’étudiants issus du cursus universitaire.

Dans le cadre de ce Master, j’encadre, avec Cécile Durieu (Maître de conférences à l’ENS Cachan etdirectrice du département EEA) qui assure le cours, environ la moitié des TD et les deux tiers des TP de

3

l’unité d’enseignement "Signal et image" (UE 451). Cette unité d’enseignement, d’une part, complète lesconnaissances des étudiants sur les notions associées aux variables aléatoires et, d’autre part, traite des notionsassociées aux signaux aléatoires et de la théorie de l’estimation. L’objectif des TD est d’appliquer les notionsvues en cours à des cas concrets : minimisation des pertes lors de la fabrication de barres d’acier par laminage,détection d’un signal numérique bruité, estimation de la vitesse d’un véhicule en déplacement uniforme, etc.L’objectif des TP est d’illustrer et mettre en œuvre les notions vues en cours et en TD à partir de signauxacquis pendant la séance ou de signaux simulés. Le logiciel de calcul MatlabTM est utilisé pour mener à bien cesTP, ce qui permet aux étudiants d’appronfondir leur maîtrise de ce logiciel. Les thèmes abordés lors de ces TPsont : corrélation de signaux, filtrage adapté, mesure de la vitesse du son, synthèse de voyelles et localisationde sources. À la fin de chaque séance de TP, les comptes rendus (un par binôme) sont ramassés. Je participe,en proportion des TP encadrés, à leur correction et à leur notation.

3- Enseignements dans le cadre de la préparation l’agrégation de Sciences Physiques dudépartement EEA

La préparation à l’agrégation de Sciences Physiques du département EEA vise à préparer les étudiants àl’agrégation de Sciences Physiques, option Physique Appliquée. La promotion d’étudiants est composée d’élèvesnormaliens recrutés sur concours 1re année ou 3e année et éventuellement d’enseignants ayant une année decongé de formation.

Dans le cadre de cette formation, j’interviens dans les TP de conversion d’énergie dont les cours théoriquesassociés sont dispensés par Gilles Feld (Professeur agrégé à l’ENS Cachan et directeur adjoint du départementEEA) et Emmanuel Hoang (Professeur agrégé à l’ENS Cachan). Ces TP permettent de compléter et de renforcerl’étude théorique de systèmes de l’électrotechnique et de l’électronique de puissance vus en cours : le gradateur,les transformateurs monophasé et triphasé, la machine à courant continu, la machine synchrone, la machineasynchrone, les alimentations flyback et forward, l’onduteur en tension par modulation à largeur d’implusion,le panneau solaire, la pile à combustible, etc.

Le concours de l’agrégation de Sciences Physiques, option Physique Appliquée, requiert les connaissancesen physique associées aux programmes d’enseignement de physique de l’ensemble des classes préparatoires(MPSI, PCSI, PTSI, BCPST1, MP, PC, PSI, PT, BCPST2). Lors de l’année de préparation à l’agrégation, cesconnaissances sont rappelées et complétées via quatorze séances mixtes cours-TD de quatre heures. L’annéeprécédant mon arrivée au département EEA, ces quatorze séances étaient dispensées par trois enseignantsdifférents dont deux extérieurs à l’ENS Cachan. À mon arrivée, il m’a été proposé de remplacer deux de cesenseignants en prenant en charge huit cours-TD principalement liés à la 1reannée de classe préparatoire. J’aidonc pu réaliser, dès ma première année de contrat, une homogénisation partielle des cours-TD de physiqueen adoptant un format identique pour chaque cours-TD :

– un polycopié constitué d’une liste d’exercices associés au cours suivie d’un problème plus conséquent estdistribué aux étudiants en début de séance,

– le cours rappelle ensuite les concepts et démonstrations incontournables,– le cours est entrecoupé par des exercices choisis dans le polycopié illustrant la partie de cours qui vient

d’être traitée,– en fin de séance, il est conseillé aux étudiants de chercher pour la séance suivante deux ou trois exercices

ainsi que le problème. Ces travaux sont alors ramassés, corrigés et commentés.Pendant mes deux premières années de contrat, j’ai présenté ces huit cours-TD (par ordre chronologique) :mécanique du point, thermodynamique, électrostatique et magnétostatique, mécanique des systèmes de pointsmatériels et des solides, ondes mécaniques, mécanique des fluides I, mécanique des fluides II, ondes sonores etdiffusion de particules.

Depuis la rentrée de septembre 2009, j’ai accepté1 de prendre en charge les six autres cours-TD rempla-çant ainsi un professeur extérieur à l’ENS Cachan parti à la retraite. Cela m’a permis d’homogéniser et deréorganiser l’ensemble des quatorze cours-TD de physique (par ordre chronologique) : mécanique du point,thermodynamique, électromagnétisme I, mécanique des systèmes de points matériels et des solides, ondesmécaniques, électromagnétisme II, optique géométrique, mécanique des fluides I, mécanique des fluides II,interférences, diffraction, ondes sonores et diffusion de particules, ondes électromagnétiques dans les milieux,

1Cependant pour cela, j’ai dû renoncer à l’encadrement de quelques séances de TP de conversion d’énergie.

4

potentiels thermodynamiques.Enfin, chaque année, j’encadre avec Bernard Journet (Maître de conférences à l’ENS Cachan) une journée

de TP de physique visant à familiariser les agrégatifs avec le matériel qui leur sera mis à disposition lors de l’oralde l’agrégation. Je propose également un devoir surveillé de physique (généralement en électromagnétisme) dequatre heures.

4- Interventions diverses

Durant ces deux dernières années, j’ai également participé à de nombreuses actions ponctuelles qui contri-buent à la vie de l’ENS Cachan. J’ai, par exemple, pris part aux trois dernières journées portes ouvertes (février2007, février 2008 et février 2009) de l’ENS Cachan en présentant un atelier destiné à faire réagir des collégienssur des notions en relation avec le son. À un autre niveau, j’ai aussi présenté aux étudiants du L3 et du M1 ISTun séminaire (novembre 2008) décrivant le domaine de recherche dans lequel mes travaux de thèse s’incriventet les attentes qui en découlent.

Il m’a aussi été offert de prendre part au recrutement des élèves normaliens. En effet, pour le concours3e année du département EEA, j’ai rédigé un sujet pour la session 2010. J’ai également participé à l’épreuvede manipulation de physique de l’oral du concours PSI (session 2009) en proposant deux sujets : le premierconcernait la transmission numérique de type delta, le second, dont l’idée initiale fut proposée par Gilles Feld,traitait de la caractérisation d’un empilement piézoélectrique via l’utilisation d’un interféromètre de Michelson.Ce deuxième sujet a permis d’introduire une certaine diversité dans les sujets de physique appliquée proposésaux candidats.

5- Bilan synthétique

Dans ce dernier paragraphe, les répartitions par niveaux (figure n̊ 1a), par matières (figure n̊ 1b) et partypes (figure n̊ 1c) de mes enseignements de l’année universitaire 2009-2010 sont présentées sous forme dediagrammes circulaires.

Figure no 1 : a) Répartition par niveauxb) Répartition par matières, c) Répartition par types.

5

Rapport d’activités de recherche(septembre 2007 - octobre 2009)

Depuis mon recrutement en tant qu’agrégé préparateur au département EEA de l’ENS Cachan, je préparema thèse sous la direction d’Emmanuelle Deleporte (Professeur des universités à l’ENS Cachan) au Laboratoirede Photonique Quantique et Moléculaire (UMR 8537) dans le groupe "Propriétés optiques de nanostructureshybrides". Je travaille, en collaboration étroite avec Jean-Sébastien Lauret (Maître de conférences de l’ENSCachan, LPQM), à la réalisation et l’étude des propriétés optiques de microcavités planaires hybrides organique-inorganique en régime de couplage fort. La réalisation de ces microcavités se fait via une collaboration entretrois laboratoires : le LPQM, le LPN (Laboratoire de Photonique et de Nanostructures) à Marcoussis et leCRHEA (Centre de Recherche sur l’Hétéroépitaxie et ses Applications) à Valbonne. Ces activés de rechercheont donné lieu à six publications dans des journaux internationaux avec comité de lecture (voir page 17).

1- Le contexte scientifique

a- Les polaritons de microcavitéLes microcavités planaires de semiconducteurs, constituées d’un ensemble de puits quantiques enserrés

dans une cavité Pérot-Fabry, présentent un intérêt tant sur le plan de la recherche fondamentale : étude ducouplage entre les modes du champ électromagnétique dans la cavité et les excitations électroniques, que surle plan de la recherche appliquée : réalisations de sources lasers miniaturisées et à bas seuil. En régime decouplage fort, les excitons et les photons forment des états mixtes : les polaritons de cavité, modes normauxséparés énergétiquement par le dédoublement de Rabi. Ces polaritons sont des quasi-particules dont le spin estentier, ils peuvent donc relaxer vers l’état de plus basse énergie pour former un condensat de Bose-Einstein.La lumière issue de la recombinaison radiative des polaritons de ce condensat est donc cohérente, c’est leprincipe du laser à polaritons. L’obtention d’une lumière cohérente ne nécessitant pas d’inversion de population,le laser à polaritons est donc théoriquement sans seuil. Il est donc plus économe en énergie que les lasersclassiques. Kasprzak et al. (Kasprzak et al., Nature 409, vol 443, 2006) furent les premiers à mettre en évidenceexpérimentalement un laser à polaritons à basse température (5K) en 2006. Ils utilisèrent pour cela des puitsquantiques de CdTe (Tellure de cadmium), un semiconducteur inorganique.

b- Les 1resmicrocavités organiquesEntre 1992 et 1997, les premiers matériaux à avoir été mis en microcavité pour obtenir le régime de

couplage fort furent des semiconducteurs inorganiques comme le GaAs (Arséniure de gallium), le CdTe, ...etc. Ces matériaux présentent des états excitoniques avec une énergie de liaison faible (de l’ordre de quelquesmeV). Les états excitoniques de ces matériaux ne se manifestent donc pas à température ambiante puisquel’énergie d’activation thermique y est d’environ 25 meV. Il est donc impossible d’observer le couplage fort (etpar conséquent le laser à polaritons) avec ce type de matériaux à température ambiante. Or, dans le cadred’éventuelles applications industrielles, il sera nécessaire de travailler à température ambiante.

C’est pourquoi en 1998, l’équipe de D.G. Lidzey de l’université de Sheffield (UK) réalisa (Lidzey et al.,Nature 395, vol 53, 1998) une microcavité contenant une couche d’un matériau organique, plus précisémentun film de polystyrène contenant des molécules organiques actives, les porphyrines de Zinc. Les porphyrinesde Zinc présentent des états excitoniques très localisés spatialement dont l’énergie de liaison est de l’ordre dequelques centaines de meV. Ceci a permis l’obtention du régime de couplage fort à température ambiante avecun dédoublement de Rabi record pour l’époque de 160 meV.

Depuis, de nombreuses microcavités contenant des molécules organiques ont présentées le régime de cou-plage fort à température ambiante. Cependant en raison de la localisation spatiale des excitons, il n’a jamaisété possible de mettre en évidence le régime de laser à polaritons avec de tels matériaux. D’autres matériauxpermettant la délocalisation spatiale des excitons ont alors été proposés pour obtenir le laser à polaritons àtempérature ambiante : les semiconducteurs à grands gaps et les cristaux moléculaires de pérvoskite (LPQM).

6

c- Les semiconducteurs à grands gapsÀ partir de 2005, des semiconducteurs à grands gaps comme le GaN (Nitrure de Gallium) ou le ZnO

(Oxide de Zinc) ont été proposés. Ces matériaux présentent des états excitoniques spatialement délocalisésavec des énergies de laison de quelques dizaines de meV. Ces énergies de liaison ont permis de réaliser desmicrocavités à base de ces matériaux présentant le régime de couplage fort. Bien qu’à température ambiantela mise en évidence du couplage fort ne soit pas évidente, le laser à polaritons a récemment été démontréexpérimentalement dans une microcavité GaN par l’équipe de J.J. Baumberg de l’université de Southampton(UK) en 2008 (Baumberg et al., PRL 136409, vol 101, 2008).

En raison des propriétés physiques de ces matériaux, le laser à polaritons ne peut être obtenu que dansdes microcavités dont le facteur de qualité est supérieur à 500. De tels facteurs de qualité sont incompatiblesavec une puissance lumineuse importante du laser à polaritons, il est donc nécessaire d’explorer les possibilitésd’autres matériaux.

2- Les cristaux moléculaires de pérovskite (LPQM)L’équipe "propriétés optiques de nanostructures hybrides" du LPQM dirigée par Emmanuelle Deleporte

s’est spécialisée dans l’étude des cristaux moléculaires de pérovskite qui apparaissent comme un matériau inter-médiaire vis-à-vis des semiconducteurs inorganiques (GaAs, CdTe, ...), d’une part, et des matériaux organiques(porphyrines de Zinc, J-aggrégats, ...), d’autre part.

a- Structure et propriétés optiquesLes cristaux moléculaires de pérovskite sont des cristaux ioniques qui ont pour formule chimique générale :

(R−NH3)2MX4 avec M un élément métallique, X un halogène et R une chaîne carbonnée. Ils s’obtiennentpar simple dépôt à la tournette d’une solution contenant tous les éléments constitutifs dans les proportionsstœchiométriques, c’est-à-dire : M2+, 4 ∗X− et 2 ∗ R−NH+

3 . L’épaisseur de la couche obtenue est de l’ordrede quelques dizaines de nanomètres et peut être ajustée à l’aide de la concentration de la solution et desparamètres de la tournette. La figure n̊ 2 présente l’image par microscopie à force atomique (AFM) d’un dépôtde la pérovkite correspondant à M2+ = Pb2+, X− = I− et R = C6H5C2H4−, et généralement connue sous lenom de PEPI.

Figure no 2 : Image AFM d’un dépôt de PEPIsur une lame de verre.

Cette image montre que les dépôts de PEPI sont constitués de cristaux dont les dimensions latérales sont del’ordre de la centaine de nanomètres.

Les études par diffraction X ont montré que la structure des couches de pérovskite est constituée d’unesuccession de couches inorganiques et organiques (cf figure n̊ 3 a)) : les couches inorganiques sont constituéesdes éléments M et X alors que les couches organiques sont constituées des chaînes carbonnées.

7

Figure no 3 : a) Schéma de la structure des couches minces de pérovskite,b) Représentation schématique de la struture de bandes associée.

L’étude de la structure des bandes de conduction et de valence des couches minces de pérovskite (cf figure n̊ 3b)) montre que les couches inorganiques forment une succession de puits quantiques pour les électrons et lestrous. Ceci confère aux excitons une grande énergie de liaison (entre 220 meV et 400 meV selon la pérovskiteconsidérée) et une grande force d’oscillateur ce qui est très favorable pour l’obtention du couplage fort àtempérature ambiante. La figure n̊ 4 présente les spectres d’absorption d’un dépôt de PEPI et d’un dépôt dePEPaC (idem PEPI hormis X− = Cl−).

Figure no 4 : a) Spectre d’absorption d’un dépôt de PEPI,b) Spectre d’absorption d’un dépôt de PEPaC.

Sur chacun de ces deux spectres, on observe un pic d’absorption dû aux états excitoniques. On en déduitque l’énergie des excitons dans PEPI (respectivement PEPaC) est de 2, 40 eV (respectivement 3, 64 eV ). Ilapparaît ainsi que l’on peut choisir l’énergie des excitons d’un dépôt de pérovskite en changeant les élémentsX, M et R. Ceci constitue un avantage supplémentaire des couches de minces de pérovskite.

Bien sûr, les couches minces de pérovskites présentent quelques inconvénients comme, par exemple, le faitque l’auto-organisation lors du dépôt à la tournette ne se fasse pas avec la même qualité selon la pérovskiteconsidérée ou bien qu’une exposition à une excitation laser trop importante tende à les détruire. Cependantl’énergie de liaison des excitons importante et leur délocalisation dans le plan de la couche mince font descouches minces de pérovskite un matériau intermédiaire entre les semiconducteurs inorganiques et les matériauxorganiques moléculaires. Il nous a donc paru essentiel de confronter ce matériau à la problématique du laser àpolaritons.

b- Obtention du couplage fort avec PEPILes travaux de mon prédécesseur au LPQM, Antoine Bréhier, ont montré qu’il était possible d’obtenir

le régime de couplage fort à température ambiante avec PEPI. Il a, pour cela, placé une couche de PEPIde 50 nm d’épaisseur entre un miroir diélectrique et un miroir métallique semi-transparent (cf figure n̊ 5 a)).L’ajustement en énergie du mode de cavité et de l’exciton de PEPI a été obtenu en déposant une couche dePMMA (polyméthacrylate de méthyle, un polymère transparent) d’environ 100 nm d’épaisseur.

8

Figure no 5 : a) Schéma de la microcavité,b) Spectres de réflectivité résolus en angle.

La figure n̊ 5 b) montre les spectres de réflectivité qu’il a obtenus pour cette microcavité pour différents anglesd’incidence. Chaque creux de réflectivité correspond à un polariton. La figure n̊ 6 présente la position en énergiedes polaritons en fonction de l’angle d’incidence.

Figure no 6 : Diagramme d’anticroisement.

L’anticroissement observé constitue la preuve de l’obtention du régime de couplage fort à température ambiante.

3- Les objectifs de ma thèseLa thèse que je prépare sous la direction d’Emmanuelle Deleporte a deux objectifs principaux : le premier

consiste en la réalisation d’une cavité en régime de couplage fort comportant deux matériaux actifs (GaN etpérovskite), le second consiste à explorer les possibilités d’obtention du régime de laser à polaritons avec lamicrocavité PEPI.

a- Réalisation d’une cavité hybride GaN-pérovskiteOn montre d’un point de vue théorique que pour atteindre le régime de laser à polaritons, le temps de

vie des polaritons doit être plus long que le temps mis par ces derniers pour relaxer vers l’état de plus basseénergie. Or, le temps de vie des polaritons étant d’autant plus long que le facteur de qualité de la cavité estélevé, il faut donc que ce facteur de qualité soit supérieur à certaine valeur dépendant du matériau considéréet de la température. En effet la relaxation des polaritons fait intervenir leurs interactions avec les phononsacoustiques, l’efficacité de cette relaxation est donc dépendante du matériau considéré et de la température.

Dans le cas du GaN, le régime de laser à polaritons ne peut être obtenu qu’avec des microcavités dontle facteur de qualité est supérieur à 500 à température ambiante. Cependant, pour le laser à polaritons, unevaleur élevée du facteur de qualité n’est pas compatible avec l’obtention d’une puissance lumineuse de sortieimportante. En effet, les photons issus du laser à polaritons proviennent de la recombinaison radiative despolaritons du condensat de Bose-Einstein, c’est-à-dire de l’échappement de la part photon des polaritons àtravers un des miroirs de la microcavité. Ainsi, plus la réflectivité des miroirs sera grande (c’est-à-dire plusle facteur de qualité sera élevé), moins de photons pourront s’échapper de la cavité et moins la puissance ensortie du laser à polaritons sera grande.

9

Conscients qu’une puissance lumineuse de sortie faible pourrait limiter le champ d’application d’un teldispositif, nous proposons une méthode qui pourrait permettre l’obtention du laser à polaritons dans des mi-crocavités à facteurs de qualité moindres : plutôt que d’augmenter le temps de vie des polaritons en augmentantle facteur de qualité, on se propose de réduire le temps de relaxation des polaritons vers l’état de plus basseénergie en utilisant une idée proposée en 1997 par Agranovich et al. (Agranovich et al., Solid State Comm.631, vol 102 ,1997).

Prenons une microcavité à base d’un semiconducteur inorganique, Agranovich et al. proposent d’y ajouterune couche mince d’un matériau organique dont l’exciton est en énergie légèrement en dessous de l’exciton dusemiconducteur inorganique. Le diagramme d’anticroisement attendu est présenté à la figure n̊ 7, l’exciton dusemiconducteur inorganique est qualifié sur ce diagramme de "Wannier-Mott" alors que l’exciton du matériauorganique est qualifié de "Frenkel".

Figure no 7 : Diagramme d’anticroisement.

D’après Agranovich et al., cette struture hybride inorganique-organique présenterait un canal de relaxationvers l’état de plus basse énergie très efficace : une réduction d’au moins un facteur 10 des temps de relaxationpar rapport à la microcavité avec seulement le semiconducteur inorganique est attendue. Cette théorie n’a, ànotre connaissance, jamais été testée expérimentalement.

Le premier objectif de ma thèse est de réaliser expérimentalement la structure hybride proposée parAgranovich et al en prenant le GaN comme semiconducteur inorganique et une pérovskite comme matériauorganique. Nous espérons ainsi obtenir le régime de laser à polaritons avec un facteur de qualité inférieur à500. Ce travail est financé par le projet ANR PNANO2006 MICHRY et est réalisé en collaboration avec leCRHEA à Valbonne et le LPN à Marcoussis.

b- Étude de la relaxation stimulée dans la microcavité PEPILe second objectif de ma thèse est d’explorer les possibilités qu’offre la microcavité PEPI vis-à-vis des

processus physiques associés au régime de laser à polaritons, notamment la possibilité de relaxation stimuléedes polaritons vers l’état de plus basse énergie condition nécessaire à l’obtention du laser à polaritons. L’articlede Saba et al. en 2001 (Saba et al., Nature, 731, vol 414, 2001) a montré que plus l’énergie de liaison des étatsexcitoniques du matériau utilisé est grande plus la température maximale à laquelle la relaxation stimulée despolaritons peut être observée est élevée. Dans le cas de PEPI, l’énergie de liaison est d’environ 220 meV. Unetelle valeur pourrait conduire (si la courbe expérimentale de Saba et al. est vérifiée jusqu’à cette valeur) àl’obtention de la diffusion stimulée pour des températures bien plus grandes que la température ambiante.

Nous souhaitons mettre en évidence la diffusion stimulée des polaritons dans la microcavité PEPI à tem-pérature ambiante. Pour cela nous montons actuellement au LPQM un dispositif expérimental pompe-sondede type Savvidis (Savvidis et al2 furent les premiers à rendre compte d’une telle manipulation en 2000). Ils’agit d’exciter la microcavité à l’angle d’inflexion de la branche polaritonique de basse énergie avec un pulsede lumière intense (pulse de pompe) et d’envoyer (avec un retard ou non) sur l’état de plus basse énergie unpulse de lumière (pulse de sonde). Lorsque la sonde est réfléchie par la microcavité en étant amplifiée celasignifie qu’il y a eu diffusion stimulée des polaritons créés par la pompe vers l’état de plus basse énergie.

2Savvidis et al., PRL 1547, vol 84, 2000

10

4- Les résultats obtenus concernant la microcavité hybride GaN-pérovskite

Avant de réaliser exactement la structure proposée par Agranovich et al., il nous a semblé importantde vérifier que le régime de couplage fort entre les excitons du GaN, les excitons de la pérovskite et lesphotons du mode de cavité pouvait être atteint. Nous avons pour cela choisi la pérovskite PEPaC dont laqualité optique du dépôt est bonne et dont l’énergie de l’exciton (EPEPaC = 3, 64 eV) est voisine de celle duGaN (EGaN = 3, 50 eV). Cependant l’inconvénient de ce choix réside dans le fait que EPEPaC > EGaN alorsqu’Agranovich et al proposent Eorganique < Einorganique. Nous verrons par la suite les conséquences de cetteinversion en énergie des excitons.

Mon premier travail fut de mettre en cavité la pérovskite PEPaC pour s’assurer que le régime de couplagefort pouvait bien être obtenu avec cette pérovskite. La microcavité mise au point (cf schéma à la figure 8 a))fut le résultat d’une collaboration avec Sophie Bouchoule (Chargée de recherche CNRS au LPN) pour le dépôtdu miroir diélectrique inférieur.

Figure no 8 : a) Schéma de la microcavité PEPaC,b) Spectres de réflectivité résolus en angle.

Les études en réflectivité (voir spectres résolus en angles de la figure n̊ 8 b) et digramme d’anticroisementde la figure n̊ 9 a)) et en photoluminescence (cf figure n̊ 9 b)) de cette microcavité ont clairement démontrél’obtention du régime de couplage fort à température ambiante.

Figure no 9 : a) Diagramme d’anticroisement, b) Spectre de photoluminescence d’une couche de PEPaC(graphe supérieur) et spectres de photoluminescence résolus en angle (graphe inférieur).

Ces résultats qui constituent une prémière puisque le couplage fort n’avait jamais été observé dans le procheultraviolet ont donné lieu à une publication dans le journal Applied Physics Letters (Lanty et al., APL, 081101,vol 93, 2008).

La suite de mon travail consista à simuler, par la méthode des matrices de tranfert, une première structurehybride à partir une demi-cavité GaN fournie par Fabrice Semond (Chargé de recherche CNRS au CRHEA).Pour qu’une structure soit satisfaisante, il est nécessaire, d’une part, que les diverses possibilités technologiquessoient respectées et, d’autre part, que les couches actives (GaN et PEPaC) soient situées au voisinage d’unmaximum de l’intensité du champ électrique intracavité. Les résultats (structure de la microcavité et intensitédu champ intracavité) de ces simulations sont présentés par la figure n̊ 10.

11

Figure no 10 : a) Structure de la microcavité hybride à réaliser, b) Intensité du champ intracavité.

Cette structure fut ensuite réalisée et son étude optique fut menée en réflectivité. L’interprétation desmesures en réflectivité résolues en angle (cf figure n̊ 11 a)) n’est pas tout-à-fait évidente au premier abord.

Figure no 11 : a) Spectres de réflectivité résolus en angle,b) Diagramme d’anticroisement.

Cependant, une étude fine montre que lorsque l’angle d’incidence θ augmente trois creux de reflectivité cor-respondant aux trois polaritons apparaissent. Sur la figure n̊ 11 b), la position en énergie de ces trois creuxde réflectivité a été reportée en fonction de θ. Ce diagramme d’anticroisement présente, comme attendu, deuxanticroisements ce qui prouve que la microcavité est en régime de couplage fort pour les deux types d’exciton.En outre, l’ajustement d’un modèle à trois niveaux (cf courbes bleue, rouge et verte) a permis d’extraire lesparamètres physiques de ce régime de couplage. Les valeurs obtenues sont en parfait accord avec les valeursobtenues lors des études de la microcavité GaN (résultats CRHEA) et de la microcavité PEPaC.

Il apparaît clairement que les difficultés d’interprétation de ces spectres de réflectivité ont deux origines :– tout d’abord, la demi-cavité GaN utilisée n’a pas été conçue spécialement pour ce projet et on s’aperçoit

que la bande d’arrêt du miroir diélectrique (représentée par les carrés cyans sur la figure n̊ 11 b)) est tropbasse en énergie et que la couche de GaN est trop épaisse (le polariton d’énergie moyenne est faiblementvisible),

– mais surtout, nous avons choisi une pérovskite telle que Eperovskite > EGaN ce qui conduit avoir l’excitonde la pérovskite dans le front d’absorption du GaN.

Forts des constatations faites sur le premier essai, nous avons entrepris de réaliser deux nouvelles microcavitéshybrides. La première reprend PEPaC comme pérovkite mais la demi-cavité GaN est modifiée (couche deGaN plus fine et miroir diélectrique plus haut en énergie). Tandis que pour la seconde nous avons choisiune pérovskite dont les propriétés sont un peu moins bonnes que PEPaC mais qui vérifie Eperovskite < EGaN.Au mois de juillet, Fabrice Semond m’a gentillement invité à l’assister lors de la croissance par épitaxie des

12

nouvelles demi-cavité GaN adaptées à la suite du projet. Elles sont actuellement en cours de caractérisationoptique.

5- Les resultats obtenus concernant la diffusion stimulée dans la microcavité PEPI

Dans la microcavité PEPI standard (c’est-à-dire celle réalisée par Antoine Bréhier durant sa thèse), lacouche de PEPI est déposée directement sur le miroir diélectrique. Elle n’est donc pas soumise au champintracavité maximum puisque le champ intracavité présente un nœud à la surface du miroir diélectrique.Mon travail sur la microcavité PEPI a tout d’abord (septembre 2007) consisté à mettre en place un protocolepermettant de réaliser une microcavité PEPI dite optimisée dans laquelle la couche de PEPI repose au voisinagedu maximum de l’intensité du champ électrique. Ce protocope a permis d’intercaler une couche de 50 nm dePMMA entre le miroir diélectrique et la couche de PEPI et donc d’obtenir le résultat escompté. La figure n̊ 12présente l’intensité du champ intracavité ainsi que le diagramme d’anticroisement de la microcavité optimisée.

Figure no 12 : a) Intensité du champ intracavité de la cavité optimisée,b) Diagramme d’anticroisement de la cavité optimisée.

Le doublement de Rabi (grandeur qui caractérise la force du couplage entre les états excitoniques et le modede cavité) mesuré sur le diagramme d’anticroisement s’élève à 190 meV, soit 50 meV de plus que la microcavitéPEPI standard. Ces résultats ont éte publiés dans la revue internationale "New Journal of Physics" (Lanty etal., New Journal of Physics, 065007, vol 10, 2008).

Ensuite, dans l’optique d’étudier la diffusion stimulée des polaritons dans la microcavité PEPI, nousavons entrepris de monter au LPQM un dispositif expérimental de type pompe-sonde (cf paragraphe 3-b).Cependant au lieu de monter directement le dispositif de type Savvidis et d’étudier la microcavité PEPI, il nousa semblé plus raisonnable de commencer par faire l’étude de la couche de PEPI seule puisque très peu d’articlesscientifiques ont été publiés sur le sujet. Nous avons donc commencé par monter un dispositif de type pompe-sonde plus classique dit dégénéré (la pompe et la sonde ont la même longueur d’onde) : la sonde et la pompesont focalisées au même point sur l’échantillon et on enregistre l’intensité de la sonde qui traverse l’échantillonen fonction du retard entre les pulses de sonde et de pompe. Plus les états excitoniques seront peuplés, moins lasonde sera absorbée et plus l’intensité de la sonde transmise sera élevée. Un graphe pompe-sonde (intensité dusignal transmis en fonction du retard pompe-sonde) permet donc mesurer quantitativement la dynamique desétats excitoniques. Les premières mesures quantitatives de la dynamique des états excitoniques de PEPI sontprésentés à la figure n̊ 13. Ces mesures montrent que plus la puissance de pompe est grande plus la dynamiquede la recombinaison des excitons est rapide. Cet effet est le signe de l’existence d’interactions exciton-excitonimportantes dans la couche de PEPI ce qui est une bonne nouvelle puisque ces interactions sont nécessaires àla diffusion stimulée des polaritons.

13

Figure no 13 : a) Graphes pompe-sonde pour différentes puissance de la pompe,b) Les mêmes graphes normalisés à 1.

Enfin, nous avons modifié ce dispositif expérimental dans le but de pouvoir pomper à une énergie différentede l’énergie de la sonde : dispositif pompe-sonde dit non-dégénéré. Ce n’est qu’il y a quelques jours que j’ai pupour la première fois enregistrer un graphe pompe-sonde avec ce nouveau dispositif. La figure n̊ 14 présentedeux graphes pompe-sonde en non-dégénéré : pour le premier (courbe rouge), pompe et sonde sont à l’énergiede l’exciton, pour le deuxième (courbe noire) la pompe est à 3,1 eV, la sonde à l’énergie de l’exciton.

Figure no 14 : Deux graphes pompe-sonde en non-dégénéré.

Bien que cela reste à confirmer, nous pensons que la différence des temps de montée des deux graphes est liéeau temps de relaxation des paires électron-trou vers les états excitoniques de PEPI.

14

Projet de recherche et perspectives

Je souhaite poursuivre, jusqu’à la fin de ma thèse, mes recherches suivant les deux axes principaux que sontla microcavité hybride GaN-pérovskite et l’étude de la relaxation stimulée des polaritons dans la microcavitéPEPI. Concernant la microcavité hybride GaN-pérovskite, je vais poursuivre mon travail par la réalisation desdeux nouvelles structures simulées. Je ferai ensuite leurs études optiques. Nous pourrons alors vérifier la théoried’Agranovich et al. en testant le régime de laser à polaritons sur ces microcavités qui possèdent un facteur dequalité inférieur à 500. Concernant l’étude de la relaxation stimulée des polaritons dans la microcavité PEPI,il est tout d’abord nécessaire de valider le dispositif expérimental pompe-sonde en non-dégénéré en comparantles résultats obtenus avec ceux de l’ancien dispositif (dégénéré). J’exploiterai ensuite ce nouveau dispositifpour approfondir nos connaissances sur la dynamique des états excitoniques de PEPI : étude des temps derelaxation en fonction de la longueur d’onde de pompe et de la puissance de pompe. Après avoir mené ce travailnécessaire, nous ferons à nouveau évoluer le dispositif expérimental pour être capables de faire de l’étude dela diffusion stimulée des polaritons. Il sera alors possible de dire si oui ou non ce phénomène peut avoir lieudans la microcavité PEPI.

J’estime que pour atteindre ces objectifs, il me faut continuer mon travail de recherche pendant au moinsune année et demie. Je souhaite donc que mon contrat d’agrégé préparateur qui arrive à son terme au 31 août2010 soit renouvelé pour pouvoir soutenir ma thèse vers juillet-août 2011. Ensuite, si les résultats obtenuspendant dans ma thèse contribuent à une avancée majeure au domaine étudié, je candidaterai à un poste deMaître de conférence. Dans le cas contraire, plusieurs choix sont possibles comme prendre en charge une classepréparatoire aux grandes écoles, candidater sur un poste de PRAG ou bien poursuivre sur le poste d’agrégépréparateur que j’occupe actuellement.

15

Liste des publications

1. "Strong exciton-photon coupling at room temperature in microcavities containing two-dimensional laye-red perovskite compounds", G. Lanty, A. Bréhier, R. Parashkov, J.-S. Lauret and E. Deleporte. New Journalof Physics 10, 065007 (2008)

2. "UV polaritonic emission from a perovskite-based microcavity", G. Lanty, J.-S. Lauret, E. Deleporte,S. Bouchoule and X. Lafosse. Applied Physics Letters 93, 081101 (2008)

3. "Synthesis and optical properties of novel organic-inorganic hybrid nanolayer structure semiconductors",S. Zhang, G. Lanty, J.-S. Lauret, E. Deleporte, P. Audebert and L. Galmiche. Acta Materialia 57, 3301 (2009)

4. "Synthesis of new perovskite luminescent nanoparticles in the visible range", P. Audebert, G. Clavier,V. Alain-Rizzo, E. Deleporte, S. Zhang, J.-S. Lauret, G. Lanty, and C. Boissière. Chemistry of materials21, 210 (2009)

5. "UV polaritons at room temperature in a microcavity containing perovskites", G. Lanty, J.-S. Lauret,E. Deleporte, S. Bouchoule and X. Lafosse. Journal of Luminescence 129, 12, 1985 (2009)

6. "Strong-coupling regime at room temperature in one-dimensional microcavities containing ultraviolet-emitting perovskites", G. Lanty, J.-S. Lauret, E. Deleporte, S. Bouchoule and X. Lafosse. To be published inSuperlattices and Microstructures

Liste des communicationset conférences

1. Journées nationales en nanosciences et nanotechnologies, Paris, 25-29 septembre, 2007 (poster)

2. Journée de conférences C’nano IdF, Paris, 6 février 2008 (poster)

3. École d’été C’nano IdF 2008, Paris, 22-27 juin 2008 (poster)

4. International conference on luminescence and optical spectroscopy of condensed matter (ICL’08), Lyon,7-11 july 2008 (poster)

5. Journées de la matière condencée 11, Strasbourg, 25-29 août 2008 (poster)

6. Optics of excitons in confined systems, Madrid, 7-11 september 2009 (poster)

16