Rectennas grande surface pour la détection et l'imagerie dans le proche infrarouge // Large scale rectennas for short wavelength infrared detection and imagery

La demande croissante en systèmes optiques de pointe a accru le besoin de photodétecteurs efficaces fonctionnant dans la région du proche infrarouge (SWIR), correspondant à la gamme spectrale de 0,9 à 2,7 µm de longueur d'onde. Ces détecteurs sont essentiels pour des applications telles que l'analyse spectrale, l'imagerie infrarouge, la télédétection et les communications optiques à travers les fenêtres de transmission atmosphériques. Actuellement, les dispositifs à base d'arséniure d'indium et de gallium (InGaAs) constituent la technologie la plus répandue ; toutefois, celle-ci reste coûteuse et repose sur des éléments rares ou toxiques. Une approche alternative prometteuse repose sur le développement de rectennas optiques composés de nanoantennes plasmoniques couplées à des diodes redresseuses, permettant la conversion directe de la lumière en électricité. La technologie des rectennas présente deux avantages majeurs : sa capacité à convertir les ondes électromagnétiques en énergie électrique sur une large gamme spectrale et la possibilité d'ajuster la gamme spectrale de fonctionnement dans ces limites, permettant ainsi la photodétection multispectrale. Les calculs théoriques prévoient un rendement de conversion pouvant atteindre 44 % sur de larges gammes spectrales et des démonstrations expérimentales dans les régions du visible et de l'infrarouge ont récemment été rapportées. Cependant, à ce jour, toutes les réponses photoélectriques expérimentales ont été mesurées à l'échelle nanométrique, généralement à l'aide de la microscopie à force atomique conductrice (C-AFM). Jusqu'à présent, aucune rectenna optique de grande surface intégrée à un dispositif fonctionnel n'a été présentée dans la littérature en raison de la difficulté et du coût élevé liés à la fabrication de grands réseaux de résonateurs plasmoniques de dimensions inférieures à 100 nm. Combler cette lacune constitue l'objectif principal de ce projet de thèse. Nous proposons d'utiliser l'auto-assemblage de copolymères à blocs, une technique de nanolithographie à haute résolution, compatible CMOS et peu coûteuse, pour produire des réseaux de nano-résonnateurs plasmoniques en forme d'« empreinte digitale ». Ces nano-antennes de grande surface, exempts de matériaux rares ou toxiques, permettront de coupler la lumière incidente à des modes plasmoniques guidés dans les nanocavités orientées dans différentes directions afin de capter la lumière indépendamment de sa polarisation, avec l'avantage de produire à la fois l'antenne et l'électrode de contact supérieure au cours d'une même étape technologique.
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The growing demand for advanced optical systems has increased the need for efficient and cost-effective photodetectors operating in the short-wave infrared (SWIR) region, corresponding to the 0.9–2.7 µm spectral range. Such detectors are crucial for applications including spectral analysis, infrared imaging, remote sensing, and optical communications through atmospheric transmission windows. Currently, indium gallium arsenide (InGaAs)-based devices represent the most widely used technology, however, this technology remain costly and rely on scarce or toxic elements. A promising alternative approach relies on the development of optical rectennas composed of plasmonic nanoantennas coupled with rectifying diodes, enabling the direct conversion of light into electricity. Rectenna technology presents two major advantages: its ability to convert electromagnetic waves into electrical energy across a wide spectral range and the possibility of tuning the operational spectral range within these limits, thereby enabling multispectral photodetection. Theoretical calculations predict a conversion efficiency of up to 44% over broadband spectra and experimental demonstrations operating across wide spectral ranges in the visible and infrared regions have recently been reported. However, to date, all reported photoelectrical responses of optical rectennas have been measured at the nanoscale—typically using conductive atomic force microscopy (C-AFM). So far, no large-area optical rectenna integrated into a functional device has been demonstrated in the literature due to the difficulty/high cost of producing large arrays of sub-100 nm plasmonic resonators. Addressing this gap constitutes the main goal of this PhD project. We propose to use the self-assembly of block copolymer, a high-resolution, CMOS-compatible and low-cost nanolithography technique, to produce “fingerprint”-shaped nanoresonator arrays free from rare or toxic materials. These large areas patch nano-antennas will be able to couple incident light into the guided plasmonic modes of these nano-cavities, with lines oriented in different directions for harvesting light independently to the polarization and the advantage of producing both the antenna and the upper contact electrode in the same technological step.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Programmes gouvernementaux hors France et Union Européenne

Université Grenoble Alpes

220 EEATS - Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal

Pour le poste de doctorant dans le cadre de ce projet, nous recherchons avant tout un profil hybride, à la croisée de la nanofabrication, de l'optique et de la physique des dispositifs. Une solide expérience en nanotechnologie et en procédés de salle blanche est indispensable, en particulier dans des techniques telles que l'auto-assemblage de copolymères à blocs, la lithographie et le dépôt de couches minces. Une bonne compréhension de la plasmonique et des dispositifs optoélectroniques (par exemple, les rectennas optiques, les photodétecteurs SWIR) est également importante, ainsi que des compétences en caractérisation des matériaux (AFM, SEM, mesures électriques) et, idéalement, une certaine expérience des procédés compatibles CMOS. De plus, le candidat doit être à l'aise avec les outils de simulation (modélisation électromagnétique telle que FDTD/FEM) et l'analyse de données, et être capable de travailler de manière interdisciplinaire, en faisant le lien entre la chimie (polymères), la physique (interaction lumière-matière) et l'ingénierie (intégration de dispositifs).
For a PhD candidate on this project, you're really looking for a hybrid profile at the intersection of nanofabrication, optics, and device physics. Strong background in nanotechnology and cleanroom processes is essential, especially techniques like block copolymer self-assembly, lithography, and thin-film deposition. Solid understanding of plasmonics and optoelectronic devices (e.g., optical rectennas, SWIR photodetectors) is also important, along with skills in materials characterization (AFM, SEM, electrical measurements) and ideally some experience with CMOS-compatible processes. On top of that, the candidate should be comfortable with simulation tools (electromagnetic modeling such as FDTD/FEM), data analysis, and have the ability to work across disciplines—bridging chemistry (polymers), physics (light–matter interaction), and engineering (device integration).