Plasmonique hybride : propriétés optiques de nanostructures Au-TMD, couplage plasmon-exciton

Hybrid plasmonic : optical properties of TMD-Au nanostructures, plasmon-exciton interaction

• Auteur / Autrice : Ines Abid
• Direction : Adnane Mlayah
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 24/11/2017
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (Toulouse ; 1988-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux de transition

Excitons

Plasmons

Mots clés libres

TMD

Plasmonique

Plasmonique hybride

Couplage plasmon-exciton

SERRS

Hyperthermie

Transfert de charges

TMD

Plasmonics

Hybrid plasmonics

Plasmon-exciton coupling

SERRS effect

Hyperthermia effect

Résumé

Récemment, la famille des dichalcogénures de métaux de transition (TMDs) (MoS2, WS2, MoSe2...) a suscité l'intérêt de nombreuses équipes de recherche en raison de leurs propriétés optiques, électroniques et spintroniques exceptionnelles. Ma thèse est centrée sur l'association de monocouches de TMDs à des nano-structures plasmoniques. Ces dernières apportent une exaltation des propriétés d'absorption, de diffusion et d'émission optiques qui peuvent être mises à profit dans divers domaines d'applications tels que l'opto-électronique, la photo-catalyse ou les capteurs. Dans une première partie je me suis intéressée à l'interaction plasmon-exciton dans des systèmes hybrides constitués de couches de MoSe2 élaborés par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et transférées sur les nanodisques d'or. La résonance plasmon est contrôlée par le diamètre et la séparation entre les nano-disques. Grâce à des mesures de transmission optique et de photoluminescence, et à une analyse détaillée des réponses spectrales basée sur un modèle analytique et des simulations numériques, j'ai mis en évidence un couplage de type Fano entre les plasmons de surface des nanodisques et les transitions excitoniques de MoSe2. J'ai étudié la dépendance de ce couplage en fonction de la taille des disques, du nombre de monocouches de MoSe2 déposées et aussi en fonction de la température. Une analyse quantitative des résultats a été menée en simulant numériquement non seulement le champ local plasmonique mais aussi son couplage avec le moment dipolaire des transitions excitoniques. Pour compléter l'exploration des propriétés optiques du système MoSe2@Au, je me suis intéressée à la diffusion Raman dans des conditions d'excitation résonante et non-résonante de la transition hybride plasmon-exciton. L'idée principale étant que la résonance plasmonique apporte une exaltation de la diffusion Raman par effet SERS (Surface Enhanced Raman Scattering) tandis que les transitions excitoniques contribuent par l'effet Raman résonnant. Cette combinaison des résonances plasmonique et excitonique conduit à un effet SERS résonant. J'ai ainsi pu distinguer les contributions relatives de ces deux résonances, notamment grâce à l'imagerie confocale de la diffusion Raman. J'ai également montré que, dans ces conditions d'excitation résonnante de la transition plasmon-exciton, un phénomène d'hyperthermie a lieu. la modélisation par simulation numérique du champ proche optique et de la diffusion Raman a été utile pour comprendre les principaux facteurs limitatifs de l'exaltation Raman. Ensuite, la couche de MoSe2 a été utilisée comme substrat de nanoparticules d'Au. Les mesures de photoluminescence ont révélé une extinction quasi-totale de l'émission de la photoluminescence. Afin d'expliquer ce phénomène, deux possibilités ont été discutés : (i) le passage de la structure de bande électronique de la couche de TMD d'un semiconducteur à gap direct à indirect à cause de la contrainte imposée par les nanoparticules d'Au (ii) le désordre structural dû au dépôt des nanoparticules d'Au (iii) le transfert des porteurs photo- générés du semiconducteur vers le métal. Grâce aux mesures Raman, et à l'émission radiative des nanoparticules d'Au, j'ai mis en évidence un phénomène de transfert de charges entre le semi conducteur et le métal. Pour compléter les interprétations proposées, j'ai mené une étude comparative avec les propriétés optiques de couche de TMD couvertes \nolinebreak de silice. Ce travail de thèse a été mené au sein du groupe NeO du CEMES et dans le cadre d'une collaboration avec le groupe du Professeur Jun Lou de l'université de Rice à Houston.

Transition metal dichalcogenide materials (TMDs) are increasingly gaining attention, due to their unique optical, spintronic, and electronic properties. These properties result from the ultimate confinement in 2D monolayers of a direct band-gap semiconductor and the lack of inversion symmetry in the crystallographic structure. To control and enhance the optical response of these materials, it is interesting to integrate them with plasmonic nano-resonators. The TMDs/plasmonic hybrid systems have been extensively studied for plasmon-enhanced optical signals, photocatalysis, photodetectors, and solar cells. In this context, this thesis deals with the interaction between TMD monolayers and gold nanostructures. In a first part, an hybrid system composed of CVD grown MoSe2 monolayers transferred on gold nanodisks was studied. Surface plasmon resonance was tuned by controlling the nanodisks size and the inter-disks separation. The optical properties of the nanostructures are probed by means of spatially resolved optical transmission and photoluminescence spectroscopies. Fano-type coupling regime between the surface plasmon of the gold nanodisks and the MoSe2 exciton was evidenced by a quantitative analysis of the optical extinction spectra based on an analytical model. Our interpretations were supported by numerical simulations. The number of MoSe2 monolayer dependence as well as the Temperature dependence of the plasmon-exciton interaction was investigated. Our results were quantatively analysed on the nanometric scale by studying the local electromagnetic near-field and the excitonic transition dipole momentum interaction. Furthermore, the Raman scattering of MoSe2@Au system was carried out. A particular situation was investigated where a resonant interaction between the surface plasmon of nanodisks and A exciton of v occur. The contribution of these two resonances leads to a resonant surface enhanced Raman scattering (SERRS) effect. The Raman Scattering excitation is selected to resonantly excite the Surface Plasmon resonance and MoSe2 excitonic transition simultaneously. The relative contribution of the surface Plasmon and the confined exciton to the resonant Raman scattering signal is pointed out. In this resonant condition, a hyperthermia effect was detected. Numerical simulations of the SERS gain were useful to figure out the main factors affecting the SERS intensity enhancement in MoSe2@Au. In a second part, the TMD monolayer was used as a substrate of Au nanoparticles. Au nanoislands were deposited on mono- and few-layered MoSe2 flakes. Photoluminescence (PL) measurements revealed a net quenching of the MoSe2 photoluminescence. To figure out the origin of this quenching three possibilities were discussed (i) the charge transfer between the TMD monolayer and the Au particles (ii) the direct to indirect gap transition of the TMD electronic band structure caused by the strain induced by the metal deposition (iii) structural disorder imparted by the nanoparticles in the TMD/metal interface. Owing to the Raman scattering measurements and using the radiative emission of the gold nanoparticles, we evidenced a charge transfetrt between the metallic nanostructures and the semiconductor. In order to complement our interpretations a comparative study with respect to optical properties of TMD covered by a silica film was carried out. The present work was held within the NeO group in CEMES, in a frame of a collaboration with the group of thr Pr. Jun Lou from Rice university, Houston.