Amélioration des propriétés physiques de matériaux de basse-dimensionnalité par couplage dans des hétérostructures Van der Waals

Enhancing physical properties of low dimensional materials by engineering its environment in composite Van der Waals heterostructures

• Auteur / Autrice : Goutham Nayak
• Direction : Vincent Bouchiat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 18/12/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : David Ferrand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Clemens Winkelmann, Aveek Bid, Julien Renard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Cassabois, Benoît Jouault

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés physico-chimiques

Nanoparticules

Mots clés libres

2D matériaux

Nanophotonique

Nano-Optoélectronique

Nanoélectronique

Material sciences

Nano-Optoelectronics

Nanophotonics

2D materials

Résumé

Les propriétés intrinsèques extraordinaires de ces matériaux de faible dimension dépendent fortement de l'environnement auquel ils sont soumis. Par conséquent, ils doivent être préparés, traités et caractérisés sans défauts. Dans cette thèse, je discute de la manière de contrôler l'environnement des nanomatériaux de faible dimension tels que le graphène, le MoS₂ et les nanotubes de carbone afin de préserver leurs propriétés physiques intrinsèques. De nouvelles solutions pour l'amélioration des propriétés sont discutées en profondeur. Dans la première partie, nous fabriquons des dispositifs d'hétérostructure à base de graphène de Van der Waals (VdW) de dernière génération, en contact avec les bords, encapsulés dans du nitrure de bore hexagonal (hBN), afin d'obtenir un transport balistique. Nous utilisons une technique basée sur des mesures de bruit 1 / f pour sonder le transport de masse et de bord lors de régimes Quantum Hall entiers et fractionnaires. Dans la deuxième partie, le même concept de fabrication des hétérostructures VdW a été étendu pour encapsuler la couche monocouche MoS₂ dans le hBN afin d'en modifier les propriétés optiques. À cet égard, nous présentons une étude approfondie sur l'origine et la caractérisation des défauts intrinsèques et extrinsèques et leur incidence sur les propriétés optiques. En outre, nous décrivons une technique pour sonder le couplage entre couches ainsi que la génération de lumière avec une résolution spatiale inférieure à la limite de diffraction de la lumière. Enfin, nous discutons d'un processus systémique naturel visant à améliorer les propriétés mécaniques de la soie polymérique naturelle à l'aide d'une nanotubes de carbone à paroi unique fabriqués par HipCO comme aliment pour le ver à soie.

The extraordinary intrinsic properties of low dimensional materials depend highly on the environment they are subjected to. Hence they need to be prepared, processed and characterized without defects. In this thesis, I discuss about how to control the environment of low dimensional nanomaterials such as graphene, MoS₂ and carbon nanotubes to preserve their intrinsic physical properties. Novel solutions for property enhancements are discussed in depth. In the first part, we fabricate state-of-the-art, edge-contacted, graphene Van der Waals(VdW) heterostructuredevices encapsulated in hexagonal-boron nitride(hBN), to obtain ballistic transport. We use a technique based on 1/f-noise measurements to probe bulk and edge transport during integer and fractional Quantum Hall regimes. In the second part, the same fabrication concept of VdW heterostructures has been extended to encapsulate monolayer MoS₂ in hBN to improve optical properties. In this regard we present an extensive study about the origin and characterization of intrinsic and extrinsic defects and their affect on optical properties. Further, we describe a technique to probe the interlayer coupling along with the generation of light with spatialresolution below the diffraction limit of light. Finally, we discuss a natural systemic process to enhance the mechanical properties of natural polymer silk using HipCO-made single walled carbon nanotubes as a food for silkworm.