Thèse présentée par Amani Ouirimi pour obtenir le grade de
Docteur en Physique de l’Université Sorbonne Paris Nord
Ce travail à dominante expérimentale vise la conception, la micro-nano-fabrication et la caractérisation d’un composant combinant une diode électroluminescente organique (OLED) et une cavité à contre-réaction répartie (DFB) pour aller vers la diode laser organique. Si l’essor de l’électronique organique a donné naissance à de nombreux composants optoélectroniques la démonstration de la diode laser organique reste encore un défi majeur malgré une publication très récente par l’équipe japonaise d’Adachi. Parmi les verrous scientifiques qui freinent la réalisation de la diode laser organique, on peut noter premièrement la faible densité de courant que peut accepter les semi-conducteurs organiques (100-1000mA/cm² en courant continu) alors que le seuil laser est estimé au-delà de plusieurs kA/cm². Deuxièmement, les pertes par annihilation dues à l’accumulation des états triplets qui apparaissent au-delà de la dizaine de nanosecondes et qui renchérissent le seuil laser. A défaut de disposer de matériaux particuliers à faible taux d’annihilation, l’effet laser peut être observé dans une autre configuration correspondant à une fenêtre temporelle inférieure à 10ns et à des impulsions électriques de l’ordre du kA/cm2 dans le cas le plus favorable pour des OLEDs placées dans des cavités à très haut facteur de qualité offrant un seuil laser parmi les plus bas. Cette thèse, étudie les aspects électriques, optiques et matériaux des trois constituants d’une diode laser organique, à savoir, une cavité, un milieu à gain, et une source d’excitation. Le premier chapitre, permet grâce à une étude bibliographique d’identifier les enjeux et faire une première série de choix pour orienter la suite des travaux. Le deuxième chapitre de ces travaux est consacré à des conceptions et modélisations. Un modèle électrique amélioré par rapport à l’état de l’art est proposé qui permet de concevoir des OLEDs plus rapides avec des constantes de temps de l’ordre de 100ps. Ce modèle électrique permet de dimensionner et fabriquer des composants capables de répondre aux exigences de densité de courant élevée pour atteindre les seuils laser visés. Un modèle laser dynamique qui prend en compte l’excitation électrique et la dynamique des émissions spontanée et stimulées est ensuite proposé. Ce modèle de diode laser organique, qui constitue une avancée par rapport à l’état de l’art permet de prédire la dynamique laser comme le seuil laser à partir des paramètres clés et des propriétés du matériau. Le troisième point étudié est la cavité laser. Une étude théorique basée sur la modélisation 1D et 2D a été réalisée afin de dimensionner le type de cavité à fabriquer. Le troisième chapitre, met en œuvre les conclusions du chapitre précédent pour fabriquer les électrodes par photolithographie, les cavité de type DFB combinant un premier et un deuxième ordre par lithographie électronique, et les OLEDS par évaporation sous vide. Le chapitre quatre présente des mesures électriques et optiques résolues en temps des constituants élémentaires de la diode laser organique conçus selon les résultats des chapitres précédents. La rapidité des OLEDs à l’échelle de quelques centaines de ps, ainsi que des densités de courant dépassant des dizaines de kA/cm² sont ainsi démontrées. Sous pompage optique, les cavités de type DFB présentent des facteurs de qualité de l’ordre de plusieurs milliers validant ainsi la conception et la fabrication. Finalement, une série de composants combinant une OLED ultra-rapide, une cavité DFB faite d’un premier ordre et d’un deuxième ordre sont caractérisés. Des premiers résultats montrent une réponse optique 2.9 plus intense lorsque l’OLED est combinée avec une microcavité DFB que l’OLED de référence sans cavité. A l’aide du modèle dynamique laser, nous montrons, selon toute vraisemblance, que le seuil de transparence a été franchi.
Membre du Jury :
Peter Bobbert (Pr) Technische Universiteit Eindhoven, Rapporteur
Isabelle Sagnes (DR CNRS) Université Paris Saclay, C2N, Rapporteur
Isabelle Seguy (CR CNRS) Université de Toulouse LAAS, Examinateur
Abbas Mamatimin (CR CNRS) Université de Bordeaux, IMS, Examinateur
Nathalie Lidgi-Guigui (MCF) (HDR) Université Sorbonne Paris Nord, Examinateur
Daan Lenstra (Pr.) Emerite Technische Universiteit Eindhoven, Invité
Alex Chime (CC) Université de Dschang Cameroun, Invité
Alexis Fischer (Pr) Université Sorbonne Paris Nord, LPL, Directeur de thèse
Mots clés : Diode laser organique, OLED, optoelctronique, absorption résiduelle, émission spontanée, émission stimulée, seuil laser, seuil de transparence
Soutenance : Le 28 Septembre 2022 à 14h00