Topic description
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.
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This PhD project aims to develop new fluorescent nanocomposite materials based on transition metal dichalcogenides (TMDs) and hexagonal boron nitride (hBN) for light-emission applications, particularly in solid-state lighting.
Current lighting technologies mainly rely on blue LEDs combined with wavelength-converting phosphors to produce white light. However, widely used phosphors suffer from insufficient red emission or rely on rare or toxic elements. Monolayers of TMDs (based on molybdenum or tungsten) represent a promising alternative: they exhibit near-unity fluorescence quantum yields, strong light absorption, and do not contain toxic heavy metals. Their main limitation lies in their extreme sensitivity to the local environment, which strongly affects their luminescence. Encapsulation within hBN is currently the most effective strategy to stabilize and enhance their optical properties.
The core objective of this PhD is to design and optimize highly luminescent nanocomposites by assembling colloidally synthesized TMD nanomonolayers with liquid-phase exfoliated hBN nanosheets. The work will first focus on developing reproducible and scalable methods for TMD colloidal synthesis and hBN exfoliation. Assembly processes will then be optimized to obtain homogeneous and stable composites. Controlled annealing treatments will be investigated to remove organic residues, induce possible phase transitions in TMDs, and improve interfacial contact between components.
Comprehensive structural and optical characterizations will be performed to establish structure–property relationships. Advanced techniques such as high-resolution electron microscopy, scanning electron microscopy, X-ray diffraction, and luminescence spectroscopy will be used to correlate morphology, crystallinity, and emission performance. Particular attention will be paid to nanoscale investigations using confocal microscopy, especially to identify and characterize single-photon emitters (SPEs). The influence of encapsulation, defects, and local strain on the formation, stability, and quantum efficiency of SPEs will be studied, with the goal of optimizing their density and emission properties for quantum optoelectronic applications.
Finally, the project will explore the integration of TMD/hBN nanocomposites into prototype lighting devices to assess their stability, efficiency, and scalability for real-world applications.
The PhD will be carried out jointly at LMI (Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces) and ILM (Institut Lumière Matière), within a dynamic interdisciplinary environment combining expertise in 2D materials, optoelectronics, and advanced microscopy. The position is intended for a highly motivated candidate with a Master's degree in chemistry, materials science, nanotechnology, or a related field, with an interest in nanomaterial synthesis and characterization.
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Début de la thèse : 01/10/
Funding category
Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)
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