Propriétés électroniques de MoS2 / MoSe2van der Waals heterostructures

Electronic properites of MoS2/MoSe2 van der Waals heterostructures

• Auteur / Autrice : Nan Zhang
• Direction : Duncan Maude, Paulina Plochocka-Maude
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 10/12/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LNCMI - Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses - Laboratoire national des champs magnétiques intenses - Toulouse / LNCMI-T
• Jury : Président / Présidente : Adnen Mlayah
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Duncan Maude, Paulina Plochocka-Maude, Mark Goerbig, Grzegorz Sek, Wilfried Desrat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mark Goerbig, Grzegorz Sek

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hétérostructures

Photoluminescence

Mots clés libres

Emerging nanomatériaux

Transition monocouche métal-Dichalcogénures (MoS2; WS2; WSe2)

Magnétophotoluminescence

Emerging Nano-Materials

Monolayer transition metal-Dichalcogenides (MoS2; WS2; WSe2)

Magnetophotoluminescence

Résumé

Le sujet de ma thèse concerne l’étude des propriétés optiques fon-damentales des dichalcogénures des métaux de transition (DCMT)des couches ultra-mince et plus précisément les hétérostuctures con-stituées de matériaux MX2(où M est du molybdène (Mo) et X dusoufre (S) ou du sélénium (Se)), liées entre elles par des interactionsde type Van der Waals. Le premier chapitre de la thèse a été con-sacré pour la description des propriétés fondamentales générales des(DCMT) exfolié et amincie jusqu’une monocouche. Egalement, leshétérostuctures à base des DCMT ont été largement décrites.Le chapitre 2 décrit les techniques expérimentales mises à dispo-sition pour servir mon projet de recherche soit en terme de mesuresou en terme de préparation des échantillons.Dans le chapitre 3, je présente l’effet de la photo-génération surles propriétés des exciton émis inter-couche. La photo-générationétant identifié à partir une augmentation de l’énergie de dissociationdes trions (via luminescence) accompagnée par un changement carac-téristique du rapport d’intensité de photoluminescence d’exciton etde trion dans le MoS2. Simultanément, j’ai observé une diminutionde l’intensité de PL de l’exciton généré inter-couche. Par contre lesignal PL composé des excitons et trions dans la couche de MoSe2aété amélioré montrant que le transfert de charges inter-couche peutêtre contrôlé en contrôlant le niveau de dopage. Cet effet observéest persistant sur une échelle de temps de plusieurs heures, tant quel’échantillon est maintenu sous vide. Ceci indique un mécanisme im-pliquant la désorption, induite par un laser, des molécules physisor-bées à la surface de l’hétérostructure. Je soutiens cette hypothèse endévoilant la sensibilité du taux de photo-génération sur la longueurd’onde d’excitation. Le processus de photo- génération se produitbeaucoup plus rapidement pour les photons ayant une énergie plusélevée.Dans le chapitre 4, je présente le résultat de l’impact du motifmoiré sur le spectre d’exciton inter-couche dans l’hétérostructureMoS2/ MoSe2. La formation du motif moiré est un phénomène car-actéristique des empilements de van der Waals où, en raison de lafaible interaction entre les couches chacune conservent ses propresparamètres de réseau. Par conséquent, en raison d’un petit anglede torsion ou d’une discordance de réseau entre les monocouches, unpotentiel variable dans l’espace périodique peut être induit. Ce po-tentiel peut avoir un impact non trivial sur les propriétés optiques desexcitons intra et inter-couche des hétérostructures de dichalcogénurede métaux de transition. Ici, je montre des preuves expérimentalesde l’impact du motif de moiré sur l’émission intra-couche dans unehétérostructure de MoSe2/ MoS2encapsulée avec du nitrure de borehexagonal (h-BN). Le potentiel périodique dans le plan se traduit par une clivage de spectre d’émission et ou d’absorption de l’excitonet du trion dans la couche de MoSe2. La différence d’énergie ob-servée entre les pics clivés est tout à fait conforme aux prévisionsthéoriques. De plus, ce chapitre contient une description détailléede la manière dont l’orientation relative des flocons dans une tellehétérostructure peut être révélée par la spectroscopie de générationdu deuxième harmonique.Le chapitre 5 contient les résultats des études préliminaires surl’impact de la qualité des échantillons et la possibilité de générerune polarisation de vallée via l’application d’un champ magnétique.Dans ces études, trois types de structures sont comparés, à savoirle MoSe2préparé par CVD et le MoSe2encapsulé par h-BN, ainsique l’hétérostructure MoSe2 / MoS2. De plus, j’ai trouvé que laformation d’un motif moiré a un impact négligeable sur le facteur gde Landé sur la transition excitonique intra-layer.

In my thesis, I concluded results of my three years investigation of the optical properties of MoSe2/MoS2 transition metal dichalcogenides heterostructures. Thesis starts with the general overview of the properties of transition metal dichalcogenides monolayers and their heterostucers. This is followed by the detailed description experimental techniques which wear used to characterize photoresponse of heterostructures and their preparation. Next three paragraphs are devoted to the rustles of my investigations:In chapter 3 the impact of characteristic for transition metal dichalcogenides effect photodoping on the interlayer exciton emission properties is presented. The photodoping isidentified by the increasing (upon illumination) trion dissociation energy, accompanied by a characteristic change of the exciton/trion photoluminescence intensity ratioin MoSe2. At the same time, I observe decreasing photoluminescence intensity of the interlayer exciton. In the same time the combined PL intensity of the exciton and the trion in MoSe2 is enhanced, showing that the interlayer charge transfer can be controlled by the doping level. This observed effect is persistent on a timescale of several hours, as long as the sample is maintained under vacuum. This indicate a mechanism involving laser induced desorption of molecules physisorbed on the surface of the heterostructure. I support this hypothesis by revealed sensitivity of the photodoping rate on the excitation wavelength. The process of photodoping occurs much faster for higher energy photons.In chapter 4 I present result of the impact of moiré pattern on the intralayer exciton spectrum in MoS2/MoSe2 heterostructure. The moiré pattern formation is a phenomenon characteristic for van der Waals stacks where due to the weak interlayer interaction the ingredient layers preserve their own lattice parameters. Therefore due to small twist angle or of lattice mismatch between the monolayers periodic spatially varying potential is induced. This potential can have nontrivial impact on the optical properties of both intra- and interlayer excitons of transition metal dichalcogenide heterostructures. Here, I show experimental evidences of the moiré pattern impact on intralayer emission in a MoSe2/MoS2 heterobilayer encapsulated in hexagonal boron nitride. The periodic in-plane potential results in a splitting of the MoSe2 exciton and trion in emission and (for the exciton) absorption spectra. The observed energy difference between the split peaks is fully consistent with theoretical predictions. Moreover this chapter contain detailed description how the relative orientation of the flakes in such heterostructure can be revealed by second harmonic generation spectroscopy.Chapter 5 contains result of the initial studies about the impact of sample quality and possibility to generate valley polarization by the magnetic field. In this studies three type of structures are compared namely CVD grown and h-BN encapsulated MoSe2, together with MoSe2/MoS2 heterostructure. In addition I found that the formation of moire pattern has negligible impact on the Lande g-factor on intralayer excitonic transition.