Dispositifs à base de graphène pour la technologie térahertz

Le rayonnement THz est extrêmement attractif pour les études fondamentales de la matière et pour les applications émergentes, telles que la sécurité, l'imagerie médicale et la spectroscopie. Cependant, la gamme spectrale THz reste l'une des régions spectrales les moins exploitées, principalement en raison du manque de sources/amplificateurs THz puissants et compacts et de dispositifs passifs performants. Cette thèse concerne le développement de dispositifs THz avancés à base de graphène. Dans le premier projet, nous avons étudié la durée de vie des porteurs photo-excités dans des hétérostructures de van der Waals à base de graphène-hBN sous éclairement moyen-infrarouge. Nous avons rapporté, grâce à des mesures de photoconductivité dans le moyen infrarouge, que la durée de vie des porteurs photo-excités en faible densité et à faible énergie dans un tel dispositif est de ~ 30ps. En allumant les phonons polaritons hyperboliques du hBN via une pompe électrique ou optique, nous avons démontré que la durée de vie des porteurs photoexcités s’ajuste de ~ 30ps à quelques picosecondes. Ce projet ouvre des perspectives intéressantes pour la réalisation d’un laser THz en exploitant des hétérostructures à base de graphène/hBN, pour le dévelopement de photodétecteurs THz très sensibles ainsi que pour l'optique à phonons polaritons.Le deuxième projet est centré sur l’étude des dispositifs originaux à base de guides d’onde hybrides semiconductor-metal couplés à une couche de graphene. Ces dispositifs, qui sont faciles à fabriquer, peuvent agir comme des modulateurs THz et des amplificateurs THz. D'abord, nous avons étudié numériquement la relation de dispersion des deux modes fondamentaux de propagation de ces guides d’onde hybrides. Puis, nous avons caractérisé expérimentalement ces guides d'ondes hybrides couplés à du graphène en utilisant un système de spectroscopie THz avec le domaine temporel. Nous avons démontré que ces dispositifs peuvent agir comme des modulateurs Mach-Zehnder at 2 THz and 5.7 THz, les fréquences de coupures des modes propres TE0 et TE1 respectivement. Ce projet ouvre des perspectives intéressantes pour la modulation d’ondes THz et représente aussi une étape importante pour la réalisation d’un laser THz. THz radiation is extremely attractive for fundamental investigations of matter and emerging applications including, for example, security screening, medical imaging, and spectroscopy. However, the THz spectral range remains one of the least exploi