Contrôle des Propriétés Excitoniques de Monocouches de Dichalcogénures de Métaux de Transition

Control of Excitonic Properties of Transition Metal Dichalcogenides Monolayers

• Auteur / Autrice : Bo Han
• Direction : Xavier Marie, Cédric Robert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 16/09/2020
• 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 (Toulouse ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Bénédicte Warot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Marie, Cédric Robert, Catherine Journet, Guillaume Cassabois, Fabian Cadiz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Journet, Guillaume Cassabois

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotechnologie

Mots clés libres

Nanoscience

Semiconducteur

Spectroscopie

Semiconductor

Spectroscopy

Nanoscience

Résumé

Les progrès spectaculaires réalisés sur le contrôle des propriétés électroniques du graphène ont stimulé la recherche de nouveaux cristaux bidimensionnels (2D). De nos jours, les propriétés des matériaux 2D couvrent presque tous les phénomènes de la physique de la matière condensée tels que le magnétisme, la supraconductivité, l'optoélectronique, la spintronique, l'isolation topologique et bien d'autres.Les semiconducteurs 2D basés sur les dichalcogénures de métaux de transition (TMD), tels que MoS2, sont des nanostructures très prometteuses pour les applications optiques et électroniques. Les matériaux TMD en phase 2H ont une structure de bande dépendante de l'épaisseur : semiconducteur à bande interdite indirecte pour un nombre de couches ≥ 2, tandis que la forme monocouche a une bande interdite directe située aux points K de la zone Brillouin hexagonale 2D. Les propriétés optiques de ces couches ultra-minces à base de TMD sont régies par des excitons, paires électron-trou en interaction coulombienne, avec des énergies de liaison géante pouvant atteindre quelques centaines de meV. Dans les monocouches (ML), l'effet combiné de l'absence de symétrie d'inversion et de l'interaction spin-orbite donne des règles de sélection optique uniques: un dichroïsme circulaire sélectif en vallée résulte du couplage entre la physique du spin et la physique de vallée.Dans cette thèse, nous utilisons des méthodes d’exfoliation/transfert déterministe pour fabriquer des hétérostuctures de van der Waals de grande qualité à base de matériaux TMD. Grâce à l'utilisation de nitrure de Bore hexagonal (hBN, semi-conducteur à grande bande interdite) comme couches d'encapsulation, nous montrons que la largeur de raie excitonique de la monocouche TMD est rétrécie, s'approchant de la limite homogène (1-4 meV). Cette amélioration des propriétés optiques nous permet d'explorer la structure fine fortement débattue des excitons dans les monocouches TMD à base de molybdène. Nous avons effectué des expériences de magnéto-photoluminescence jusqu'à 30 T pour mettre en évidence les excitons noirs. Les excitons brillants sont mesurés 1,4 meV en dessous des états noirs dans MoSe2, tandis que l'ordre est opposé pour les monocouches de MoS2 avec des états brillants 14 meV au dessus des états sombres. Grâce à la réduction du désordre diélectrique dans les monocouches MoSe2 encapsulées, nous démontrons également le contrôle du temps de vie radiatif de l’exciton et de sa largeur de raie par effet Purcell, en réglant simplement l'épaisseur de la couche hBN inférieure. Enfin, nous avons mis en œuvre plusieurs techniques de spectroscopie optique pour révéler les états excitoniques excités pour la première fois dans les monocouches MoTe2. La conversion d'exciton (« up-conversion ») est observée dans toutes les monocouches TMD que nous avons étudiées: MoS2, MoSe2, MoTe2, WSe2. Elle est interprétée comme la conséquence de processus Auger inter-bandes résonants très efficaces. Ces études détaillées nous aident à mieux comprendre la physique des semi-conducteurs 2D à base de TMD et ouvrent la voie à de futures applications photoniques et optoélectroniques.

The spectacular progress in controlling the electronic properties of graphene has triggered research in alternative atomically thin two-dimensional (2D) crystals. Nowadays, 2D materials properties cover almost every phenomenon in condensed matter physics such as magnetism, superconductivity, optoelectronics, spintronics, topological insulation and many more.2D semiconductors based on Transition Metal Dichalcogenides (TMD), such as MoS2, are very promising nanostructures for optical and electronic applications. 2H-phase TMD materials have a layer thickness dependent band structure: indirect bandgap for a number of layers ≥ 2, while the monolayer form has a direct bandgap located at the K points of the 2D hexagonal Brillouin zone. The optical properties of TMD thin layers are governed by Coulomb bound electron-hole pair, i.e. exciton, with giant binding of a few hundreds of meV. In monolayers (ML), the interplay between the absence of inversion symmetry and the spin-obit interaction yields very unique optical selection rules : valley selective circular dichroism arises as a consequence of the coupling between spin and valley physics.In this thesis, we use an all-dry viscoelastic stamping method to fabricate high-qualityvan der Waals heterostuctures based on TMD materials.Thanks to the use of hexagonal boron nitride (hBN, large indirect gap semiconductor) as encapsulation layers, we show that the exciton linewidth of TMD monolayer is narrowed, approaching the homogeneous limit (1-4 meV). This improvement of optical properties allows us to explore the long-disputing exciton fine structure in Molybdenum-based TMD monolayers. We performed magneto-photoluminescence experiments up to 30 T to brighten the dark exciton states. The bright excitons are measured 1.4 meV below the dark ones in MoSe2 ML, whereas the ordering is opposite for MoS2 ML with bright states 14 meV above the dark states. Thanks to the reduction of dielectric disorder in encapsulated MoSe2 monolayers, we also demonstrate the control of exciton radiative lifetime and linewidth as a result of the Purcell effect by simply tuning the bottom hBN thickness. Finally we use various optical spectroscopy techniques to reveal the exciton excited states in MoTe2 MLs for the first time. Exciton upconversion is observed in all TMD monolayers that we have investigated : MoS2, MoSe2, MoTe2, WSe2. It is interpreted as a consequence of very efficient resonant interband Auger processes. These detailed studies help us better understand the physics of 2D TMD semiconductors and pave the way for future photonic and optoelectronic applications.