Thèse Élaboration de Nanocomposites Fluorescents Tmd - Hbn pour des Applications d'Émission Lumineuse H/F

Université Claude Bernard Lyon 1

Établissement : Université Claude Bernard Lyon 1
École doctorale : Chimie de Lyon
Laboratoire de recherche : LMI - Laboratoire des multimatériaux et Interfaces
Direction de la thèse : Catherine JOURNET-GAUTIER ORCID 000000023328317X
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-10T23:59:59

Cette thèse vise à développer de nouveaux matériaux fluorescents à base de nanocomposites associant des dichalcogénures de métaux de transition (TMD) et du nitrure de bore hexagonal (hBN), en vue d'applications en émission lumineuse, notamment pour l'éclairage.

Les technologies actuelles reposent principalement sur des LED bleues couplées à des phosphores convertisseurs. Cependant, les matériaux les plus utilisés présentent un déficit d'émission dans le rouge ou reposent sur des éléments rares ou toxiques. Les monocouches de TMD (à base de molybdène ou de tungstène) constituent une alternative prometteuse : elles possèdent des rendements de fluorescence très élevés, une forte absorption lumineuse et ne contiennent pas de métaux lourds toxiques. Leur principal inconvénient est leur forte sensibilité à l'environnement local, qui affecte leur luminescence. L'encapsulation dans le hBN est aujourd'hui la stratégie la plus efficace pour stabiliser et améliorer leurs propriétés optiques.

L'objectif central de la thèse est de concevoir et d'optimiser des nanocomposites fluorescents en assemblant des nanomonocouches de TMD synthétisées par voie colloïdale avec des feuillets de hBN exfoliés en phase liquide. Le travail portera d'abord sur le développement de méthodes reproductibles et transposables à plus grande échelle pour la synthèse des TMD et l'exfoliation du hBN. Les procédés d'assemblage seront ensuite optimisés afin d'obtenir des composites homogènes et stables. Des traitements thermiques contrôlés permettront d'éliminer les résidus organiques, d'induire d'éventuelles transitions de phase et d'améliorer les interfaces entre les matériaux.

Une caractérisation structurale et optique approfondie sera menée pour établir des relations structure-propriétés. Des techniques avancées (microscopies électroniques, diffraction des rayons X, spectroscopie de luminescence) permettront de corréler la morphologie, la qualité cristalline et les performances d'émission. Une attention particulière sera portée à l'étude à l'échelle nanométrique par microscopie confocale, notamment pour identifier et analyser des émetteurs à photon unique (SPE). L'influence de l'encapsulation, des défauts et des contraintes locales sur la formation, la stabilité et l'efficacité quantique de ces émetteurs sera étudiée, avec l'objectif d'optimiser leur densité et leurs propriétés pour des applications en optoélectronique quantique.

Enfin, le projet explorera l'intégration de ces nanocomposites dans des dispositifs prototypes d'éclairage afin d'évaluer leur stabilité, leur efficacité et leur potentiel de mise à l'échelle pour des applications industrielles.

La thèse se déroulera entre le Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces (LMI) et l'Institut Lumière Matière (ILM), dans un environnement interdisciplinaire réunissant expertise en matériaux 2D, optoélectronique et microscopie avancée. Elle s'adresse à un(e) candidat(e) issu(e) d'un master en chimie, science des matériaux ou nanotechnologies, motivé(e) par la recherche interdisciplinaire et la synthèse ainsi que la caractérisation de nanomatériaux.

Les technologies d'éclairage modernes reposent principalement sur des LED bleues combinées à un phosphore convertisseur de longueur d'onde, produisant une lumière blanche par mélange de l'émission bleue de la LED avec l'émission jaune du phosphore. Le phosphore le plus courant, YAG:Ce, manque cependant d'émission dans le rouge. Pour compenser ce déficit, des matériaux émetteurs rouges supplémentaires sont utilisés, généralement des composés dopés aux terres rares (Eu³) ou des boîtes quantiques contenant des éléments soit rares (indium), soit toxiques (cadmium).
Une alternative prometteuse émerge aujourd'hui du domaine des matériaux bidimensionnels (2D). Les monocouches de dichalcogénures de métaux de transition (TMD), à base de tungstène ou de molybdène, peuvent agir comme des émetteurs lumineux très efficaces, avec des rendements quantiques de fluorescence proches de l'unité. Ces composés sont exempts de métaux lourds toxiques, et leur forte absorption lumineuse permet d'utiliser des quantités de matière extrêmement faibles (par exemple, une monocouche de MoS absorbe environ 10 % de la lumière bleue incidente). Toutefois, la luminescence des monocouches de TMD est extrêmement sensible à l'environnement local. L'encapsulation entre des couches de nitrure de bore hexagonal (hBN) constitue actuellement la méthode la plus efficace pour stabiliser et améliorer leur émission.
Les avancées récentes en synthèse colloïdale et en exfoliation en phase liquide ont permis de produire des nanomonocouches de TMD et des feuillets de hBN sous forme de dispersions stables. L'assemblage contrôlé et le recuit de ces composants constituent une voie prometteuse pour fabriquer des composites fortement luminescents. Cependant, la relation entre les propriétés structurales de ces nanocomposites et leurs performances optiques reste encore mal comprise, ce qui limite leur intégration dans les technologies d'éclairage commerciales.

L'objectif de cette thèse est d'explorer la fabrication de matériaux fluorescents composites par assemblage de nanomonocouches de TMD synthétisées par voie colloïdale avec des feuillets de hBN exfoliés, et de caractériser leurs propriétés de luminescence jusqu'à l'échelle de la monocouche individuelle. Cette approche combine synthèse colloïdale, exfoliation en phase liquide, assemblage et recuit contrôlé afin d'obtenir des composites stables et fortement luminescents.

Synthèse et optimisation
-Développer des méthodes reproductibles et transposables à plus grande échelle pour la synthèse colloïdale de nanomonocouches de TMD et l'exfoliation du hBN en feuillets de quelques couches.
-Optimiser les procédés d'assemblage afin d'obtenir des nanocomposites homogènes et stables.
-Étudier les conditions de recuit permettant d'éliminer les résidus organiques, d'induire des transitions de phase dans les TMD et d'améliorer le contact interfacial.

Caractérisations structurales et optiques
-Caractériser les propriétés structurales des nanocomposites à l'aide de techniques avancées telles que la microscopie électronique en transmission à balayage haute résolution (HRSTEM), la microscopie électronique à balayage (MEB) et la diffraction des rayons X sur poudre (DRX).
-Étudier les propriétés optiques (spectroscopie de luminescence) afin d'établir des relations structure-propriétés et d'identifier les paramètres clés influençant l'efficacité d'émission.

Microscopie confocale et caractérisation d'émetteurs à photon unique
-Utiliser la microscopie confocale pour sonder les propriétés luminescentes des nanocomposites TMD/hBN à l'échelle nanométrique, en particulier pour identifier et caractériser des émetteurs à photon unique (SPE).
-Étudier l'influence de l'environnement local (par exemple encapsulation par hBN, défauts, contraintes mécaniques) sur la formation, la stabilité et l'efficacité quantique des SPE dans les monocouches de TMD.
-Développer des protocoles permettant de cartographier et d'analyser systématiquement les SPE dans les nanocomposites, afin d'optimiser leur densité et leurs propriétés d'émission pour des applications en optoélectronique quantique.