Spectroscopie optique des monocouches et multicouches de semi-conducteurs

Optical spectroscopy of mono- and multilayered semiconductors

• Auteur / Autrice : Shivangi Shree
• Direction : Bernhard Urbaszek, Andréa Balocchi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 14/12/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPCNO-IRSAMC - Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-Objets - Laboratoire de physique et chimie des nano-objets / LPCNO
• Jury : Président / Présidente : Lionel Calmels
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernhard Urbaszek, Andréa Balocchi, Maria Vladimirova, George Kioseoglou, Stefano Sanguinetti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maria Vladimirova, George Kioseoglou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Points quantiques

Semiconducteurs

Mots clés libres

Semiconducteurs

Materiaux 2D

Boites quantiques

Spectroscopie

Semiconductor

2D Materials

Quantum Dots

Spectroscopy

Résumé

Les matériaux bidimensionnels (2D) ont suscité un grand intérêt pour la recherche depuis la percée du graphène, révélant des propriétés mécaniques, électriques et optiques exceptionnelles. Le graphène a des propriétés remarquables. Cependant, l’absence de bande interdite est un obstacle à son interaction avec la lumiére et limite donc les applications en optique. Dans ce contexte, les semi-conducteurs TMD atomiquement minces semblent être une plate-forme prometteuse pour l’optoélectronique, car ils possèdent une bande interdite directe aux points K de la zone Brillouin dans le domaine du visible. Bien qu’ils n’aient que trois atomes d’épaisseur, ces semi-conducteurs présentent une forte interaction lumière-matière comme résumé au chapitre 3. Leur interaction lumière-matière est régie par des paires électron-trou (excitons) liées par attraction de Coulomb.En plus de l’impact de la qualité optique sur plusieurs paramètres, dans lechapitre 4, nous soulignons un problème clé pour des canaux de relaxation d’énergie efficaces qui influencent directement le processus de formation des excitons, à savoir l’interaction exciton-phonon dans les monocouches MoSe2 à la fois en absorption et en émission. Cette observation expérimentale a été possible en raison de la largeur de raie d’exciton étroite qui a été masquée par un élargissement principalement inhomogène dans les échantillons étudiés précédemment.Une autre caractéristique frappante des matériaux 2D est leur capacité unique àêtre combinés en piles. La force de van der Waals entre les couches adjacentes dans les couches homo- ou hétérogènes verticales se traduit par un couplage électrique fort entre les couches. L’interaction lumière-matière est fortement modifiée lors du passage de monocouches à multicouches. La structure de bande électronique modifiée dans les TMD multicouches, en particulier dans les bicouches, permet des propriétés et des phénomènes excitoniques complètement nouveaux, qui n’existent pas dans la monocouche. Les homobicouches hébergent un nouveau type d’excitons appelés «excitons intercouches» (IE) où les électrons sont localisés dans une seule couche tandis que les trous sont délocalisés sur les deux couches. Les principales caractéristiques d’une homobicouches tel que MoS2 sont : une forte absorption des IE qui ont un dipôle électrique statique.Au chapitre 5, nous montrons dans les systèmes homo-multicouches que lestransitions IE à forte absorption sont visibles jusqu’à la température ambiante. Le chapitre 6 est consacré aux MoS2 multicouches avec contact électrique. Là, nous mesurons une clivage géante de Stark pour les IEs et un changement d’énergie réglable dans les champs électriques appliqués en raison du dipôle électrique statique intégré des IEs. Nous montrons un fort couplage entre les excitons intra- et intercouches lorsqu’ils sont énergiquement accordés en résonance. Pour les tricouches MoS2, nous découvrons deux types distincts d’IEs en magnéto-optique avec des dipôles électriques statiques intégrés très différents.Dans cette thèse, nous montrons l’impact de l’environnement diélectrique localsur les transitions optiques et comment nous pouvons supprimer en grande partie le désordre diélectrique par encapsulation de nitrure de bore hexagonal dans les monocouches MoS2 élaborés par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) au chapitre 7. Une qualité optique considérablement améliorée nous permet d’observer les excitons intercouches et le couplage intercouche dans les multicouches développées par CVD.Nous déterminons une corrélation entre l’ordre d’empilement et le couplage in-tercouche dans les couches CVD empilées artificiellement que nous montrons auchapitre 8. Nous montrons que la délocalisation des trous sur la bicouche n’estautorisée que dans l’empilement 2H et entraîne une forte absorption d’exciton intercouche et aussi dans un clivage spin-orbite de la bande de valence modifiée par rapport aux bicouches 3R.

Two-dimensional (2D) materials have attracted great research interest since thebreakthrough of graphene, revealing exceptional mechanical, electrical and optical properties. The 2D material graphene has demonstrated excellent electrical properties. However, the absence of a bandgap is an obstacle for its interaction with light and therefore limits applications in optics. In this aspect, atomically thin of transition metal dichalcogenides (TMDs) semiconductors appear to be a promising platform for optoelectronics, as they possess a direct bandgap at the K-points of the Brillouin zone in the visible range. Despite being only three atoms thick, these semiconductors show exceptionally large light absorption, efficient light emission, and strong light matter interaction as summarized in Chapter 3. Their light matter interaction is governed by Coulomb bound electron-hole pairs (excitons).In addition to the impact of optical quality on several parameters, in Chapter4 we highlight a key issue for efficient energy relaxation channels which directly influence the exciton formation process, namely the exciton-phonon interaction in MoSe2 monolayers both in absorption and emission. This experimental observation was possible due to the narrow exciton linewidth which was masked by mainly inhomogeneous broadening in earlier investigated samples.Another striking feature of 2D materials is their unique ability to be combinedin stacks. The weak van der Waals force between adjoining layers in vertical homo- or heterolayers results in strong with electrical coupling between layers. The light-matter interaction is strongly modified when going from mono- to multilayers. The modified electronic bandstructure in multilayer TMDs especially in bilayers enable completely new excitonic properties and phenomena, which do not exist in the monolayer. Homobilayers host new type of excitons named ’interlayer excitons’ (IEs) where electrons are localized in a single layer while holes are delocalized over both layers. The main features of homobilayer such as MoS2 are : strong absorption of IEs which have an in-built static electric dipole.In Chapter 5 we show in homo-multilayer systems that IE transitions with strongabsorption are visible up to room temperature. Chapter 6 is devoted to gated multilayer MoS2. There we measure a giant IE Stark splitting and a widely tunable energy shift in applied electric fields due to the in-built static electric dipole. We show strong coupling between intra- and interlayer excitons when they are energetically tuned into resonance. In trilayer MoS2, we uncover two distinct types of IEs in magneto-optics with very different in-built static electric dipoles.In this thesis, we show the impact of the local dielectric environment on the optical transitions and how we can largely suppress the dielectric disorder in chemical vapor deposition (CVD)-grown MoS2 monolayers by hexagonal boron nitride encapsulation in Chapter 7. The considerably improved optical sample quality allows us to observe interlayer excitons and interlayer coupling in CVD-grown multilayers.We determine a correlation between the stacking order and interlayer couplingin artificially stacked and as-grown CVD layers shown in Chapter 8. We show thathole delocalization over the bilayer is only allowed in 2H stacking and results in strong interlayer exciton absorption and also in a modified valence band spin splitting as compared to 3R bilayers.