Investigation des propriétés de certains métaux de transition dichalcogenides modifiés par dopage et ingénierie de défauts

Engineering the electronic properties of 2D transition metal dichalcogenides by defects and charge doping

• Auteur / Autrice : Ulysse Chazarin
• Direction : Jérôme Lagoute, Woei-Wu Pai
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 29/11/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité en cotutelle avec National Taiwan University (Taipei)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matériaux et phénomènes quantiques (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Tristan Cren
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tristan Cren, Hamid Oughaddou, Ya-Ping Hsieh, Pin-Jui Hsu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hamid Oughaddou, Ya-Ping Hsieh

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes de densité de charge

Microscopie tunnel à balayage

Mots clés libres

Microscope à effet tunnel

Onde de densité de charge

VSe2

VTe2 monocouche

MoS2

Scanning Tunneling Microscopy

Charge Density Wave

VSe2

Monolayer VTe2

MoS2

Résumé

Cette thèse se concentre sur l'étude par microscope à effet tunnel ( STM ) des propriétés électroniques de trois matériaux appartenant à la famille des métaux de transition dichalcogénures ( TMD ) et leur modulation à l'aide de différentes techniques de dopages et de champs proche. Deux d'entre eux sont des matériaux à onde de densité de charge ( CDW ), qui est une instabilité résultant d'un couplage électron-phonon, amenant la maille atomique et les états électroniques à présenter une nouvelle périodicité déterminée par un phonon d'énergie nulle appelé ''phonon mou''. Cela donne lieu a priori à une transition métal - isolant dans le matériau. Cependant, le mécanisme à 2 dimension reste encore largement incompris et reste l'objet de nombreuses études. Le STM sous ultra vide et à basse température est particulièrement adapté à l'étude des propriétés électroniques des matériaux de basse dimension. En effet les études réalisées en STM de ces TMD donnent accès à la Densité d'états locale ( LDOS ), et aussi à la topographie de la CDW aussi bien que des défauts. Cela permet in fine de visualiser les effets des différent dopages à une échelle nanométrique. Le premier matériau étudié dans cette thèse est le VSe2. Dans nos travaux, nous montrons que sa CDW dont la périodicité est 4x4 pour le monocristal volumique, peut être transformée localement en celle de sa monocouche grâce à un découplage entre les couches sous l'action de l'intercalation du sodium. Des effets de bords sont également observés à l'interface entre la zone intercalée et la zone non intercalée. Des calculs DFT permettent d'élucider la structure électronique du matériau et le lien entre l'effet d'intercalation et les états de la monocouche du VSe2. La comparaison expérimentale de l'effet du dépôt de divers alcalins montre que le cas du sodium est unique, les autres alcalins ne s'intercalant pas dans le VSe2. Une autre étude de ce matériaux a été réalisée et permet aussi de mieux comprendre ses propriétés électroniques intrinsèque en étudiant les défauts induits par un dopage au plasma azote. Le deuxième matériau étudié est la monocouche de VTe2, dont la périodicité de la CDW peut être localement modifiée avec la pointe du STM. En l'absence de défaut, la CDW originale de la monocouche est en 4x4, mais l'excitation locale par la pointe STM peut la faire basculer localement en domaines de périodicité 4x1 avec trois orientations différentes. L'étude grâce au courant tunnel de cette transition permet de sonder la physique sous jacente de la CDW dans ce système. Enfin, le dernier matériaux étudié est le MoS2, semiconducteur très prisé pour les nanodispositifs. L'observation de LDOS très disparate permet de s'interroger sur le dopage intrinsèque et local du MoS2 qui est loin d'être une question triviale. Ensuite son dopage au plasma d'azote crée de nouveaux défauts dopant localement en trous. Leur caractérisation révèle la création d'états dans le gap. L'études de ces systèmes contribue à la compréhension globale de la physique intervenant dans les matériaux 2D.

This thesis focus on the Scanning Tunneling Microscope ( STM ) study of the electronic properties of three materials belonging to the family of Transition Metal Dichalcogenides ( TMD ) and their modulation using different techniques ( doping and tip mainly ). Two of them are material having Charge Density Wave ( CDW ) as a groundstate, which is an unstability resulting from the electron-phonon coupling, leading to periodic lattice distortion and a reorganization of the electronic states by mean of a so called ''frozen phonon''. This a priori engenders a metal to insulator transition in the material. However, a global picture of the 2D mechanism is still to emerge et is addressed by many comtemporary works. The STM operating in ultra high vacuum and eventually at low temperature particularly fits the job to investigate electronic properties in low dimensions materials. Indeed, the study of TMD compounds by mean of STM grant access to the Local Density Of State ( LDOS ) but also to the CDW and defects topography. This in turn, allows to visualise at nanometric scale the effect of different doping. The first studied material in this thesis is VSe2. Throughout our study we managed to locally transform its bulk CDW ( 4x4 ) into its monolayer CDW thanks to an interlayer decoupling induced by intercalation of sodium under the top layer. Edge effect likely due to local electric gating are taking place at the interface between the intercalated and non intercalated areas. DFT calculations allow then to elucidate the electronic structure of the bulk and also calrify its link with monolayer. An experimental comparison of depositing different alkali species show the unique case of sodium in VSe2, since the oher alkali do not intercalate. Besides we performed an other study aiming to better understand the intrinsic electronic properties of VSe2 by studying defects induced by nitrogen plasma doping. The second material is the VTe2 monolayer, whose CDW perioicity can be locally modified by the tip of the STM. In absence of defects, the original CDW perodicity is 4x4, but an excitation induced by the STM tip allows the CDW to locally switch into domains of periodicity of 4x1 with three differents orientations. Using the Tunneling current to study such a transition gives insight of the CDW underlying physics in this particular system. Lastly, we looked into MoS2, a widely used semiconducting compounds for nanodevices. The observation of very non homogeneous LDOS acros the sample raises question about its intrinsic and local doping of the gap, which is a far from trivial question. Then, its nitrogen plasma doping creates new defects bringing locally holes in. Their characterization reveals the occurence of an in-gap state. The study of these systems contribute to the global comprehension of the physics at stake in 2D materials.