Étude des propriétés optoélectroniques de monocouches atomiques de WSe2

Study of the optoelectronic properties of atomically thin WSe2

• Auteur / Autrice : Marco Manca
• Direction : Bernhard Urbaszek, Thierry Amand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/06/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-objets - Laboratoire de physique et chimie des nano-objets / LPCNO
• Jury : Président / Présidente : Vincent Paillard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernhard Urbaszek, Thierry Amand, Jacqueline Bloch, Stephane Berciaud, Clement Faugeras
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jacqueline Bloch, Stephane Berciaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Excitons

Spin

Optoélectronique

Spectroscopie

Optique

Mots clés libres

Optique

Spectroscopie

Optoelectronique

Semiconducteur

Bidimensionnel

Cristal

Spin

Excitons

Optics

Spectroscopy

Optoelectronics

Semiconductor

Bidimensional

Crystal

Spin

Excitons

Résumé

: Les dichalcogénures de métaux de transition (TMDs) constituent une famille de matériaux lamellaires riches de potentialités en optique et en électronique. La caractérisation des TMDs a permis la découverte de leurs propriétés physiques exceptionnelles : amincis à l’état de mono-feuillets, les TMDs semi-conducteurs deviennent des matériaux à bande interdite directe, donc très efficaces pour l’absorption ou l’émission de lumière. Le gap direct de ces semi-conducteurs est situé aux points K, à la frontière de la zone de Brillouin. Les propriétés optiques sont dominées par les excitons paires électron-trou liées par l’attraction de Coulomb et l’interaction lumière-matière y est extrêmement forte, l’absorption d’un faisceau lumineux pouvant atteindre 20% par monocouche. Outre l’existence du gap, les TMDs se différencient du graphène par leur fort couplage spin-orbite, ainsi que par la rupture de la symétrie d’inversion. En conséquence, les règles de sélection pour les transitions optiques à travers le gap ont un caractère chiral. Les états de spin opposés dans les bandes de valence et de conduction sont significativement clivés en énergie du fait de l’interaction spin-orbite. Cette propriété permet d’exciter optiquement des états de spin et de vallée spécifiques dans l’espace réciproque et de suivre leur comportement dynamique. Ainsi, les TMDs mono-feuillets constituent-ils des systèmes modèles très attractifs pour l’étude de la physique des états de spin et de vallée.

Transition Metal Dichalcogenides (TMDs) are a family of layered materials with potential applications in optics and electronics. Following the discovery of graphene, TMDs were characterized and extraordinary physical properties were discovered: when thinned down to a monolayer, TMDs become direct band gap materials, therefore strongly facilitating light emission. The direct bandgap of these semiconductors is situated on the edge of the Brillouin zone, at the K-point. This is different from standard semiconductors for optoelectronics like GaAs where the bandgap is in the centre of the Brillouin zone. The optical properties are dominated by excitons, and light-matter interaction is extremely strong with up to 20% of light absorption per monolayer. In addition to a bandgap, TMDs present strong spin-orbit coupling and broken inversion symmetry. As a result, the optical transitions across the bandgap have chiral selection rules. The spin states in the valence and conduction bands are well separated in energy by the spin-orbit interaction. This makes it possible to optically address specific spin and valley states in momentum space and monitor their dynamics. As a result monolayer TMDs are exciting model systems for spin and valley physics: these research fields are termed spintronics and valleytronics. This motivated our work on the exact understanding of the optical transitions, their polarization selections rules and the different exciton states.