Propriétés excitoniques et couplage spin-vallée dans les monocouches de WSe2

Exciton and spin-valley properties in WSe2 monolayers

• Auteur / Autrice : Lei Ren
• Direction : Xavier Marie, Cédric Robert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la Matière
• Date : Soutenance le 16/02/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPCNO-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 : Christophe Voisin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Masha Vladimirova, Clément Faugeras

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches monomoléculaires

Mots clés libres

Propriétés spin-Vallées

Couche atomiquement mince

Dichalcogénure de métal de transition

Lamb shift

Diffusion du spin

Facteur g

Spin-Valley properties

Atomically-Thin layer

Transition metal dichalcogenide

Lamb shift

Spin diffusion

G-Factor

Résumé

Les recherches sur les cristaux atomiques bidimensionnels (2D) se sont développéesrapidement au cours de la dernière décennie. La famille des matériaux 2D présenteune variété exceptionnelle de propriétés électroniques liées à leur faibledimensionnalité, des isolants aux métaux, semi-métaux, isolants topologiques,semiconducteurs et supraconducteurs. De plus, des monocouches avec despropriétés différentes peuvent être assemblées en empilements verticauxcommunément appelés hétérostructures de van der Waals, permettant la conceptionde matériaux artificiels avec des propriétés physiques adaptées. Ces hétérostructuressont prometteuses pour de futures applications en optoélectronique ou en spin(vallée)-tronique.Les semiconducteurs 2D à base de monocouches de dichalcogénure de métal detransition (TMD) étudiés dans cette thèse ont des propriétés très originales: (1) lesTMD à phase 2H ont une structure de bande dépendante de l’épaisseur : ilsdeviennent des semiconducteurs à bande interdite directe lorsqu'ils sont amincis enmonocouche alors qu'ils sont des semiconducteurs à bande interdite indirecte dans laforme massive; (2) l'interaction lumière-matière dans les monocouches de TMD esttrès forte. Cette interaction lumière-matière est régie par les excitons, des pairesélectron-trou étroitement liées par l’interaction coulombienne avec une énergie deliaison typique de plusieurs centaines de meV. (3) les monocouches de TMD ont despropriétés uniques de spin-vallée qui ont été étudiées en détail dans ce manuscrit.Dans ce travail, nous avons utilisé une méthode «all-dry stamping» pour empilerdes flocons de taille micrométrique les uns sur les autres et pour fabriquer deshétérostructures van der Waals de haute qualité à base de monocouches de WSe2.L'encapsulation de ces monocouches avec du nitrure de bore hexagonal (hBN), unisolant, nous permet d'atteindre des largeurs de raies spectrales quasiment limitéespar le taux de recombinaison radiative des excitons. Nous avons effectué des expériences de photoluminescence pour démontrer que le taux radiatif et l'énergie de résonance de l'exciton neutre brillant dans la monocouche de WSe2 peuvent être modifiés par la variation de l'épaisseur d'encapsulation hBN. Nous montrons que le contrôle du taux de recombinaison radiatif et de l'énergie de résonance est la conséquence de l'effet Purcell et du décalage de Lamb, respectivement. Nos résultats démontrent que nous pouvons contrôler la séparation en énergie entre excitons brillants et noirs par des effets d’électrodynamique quantique.Dans un dispositif à charge ajustable, nous avons également mis en évidence un pompage optique très efficace de spin-vallée des électrons résidents dans les monocouches de WSe2 et de WS2 dopées n. Nous observons qu'en utilisant un laser continu, des densités de dopage et d'excitation appropriées, les deux raies d'excitons chargés négativement (trion) présentent une polarisation circulaire de signe opposé et l'intensité de photoluminescence du trion triplet est plus de quatre fois plus grande avec une excitation circulaire qu'avec une excitation linéaire. Nous interprétons nos résultats comme une conséquence d'une forte polarisation dynamique des électrons résidents. Sur la base de cette méthode de pompage efficace de spin-vallée, nous avons ensuite mesuré le transport latéral des électrons polarisés en spin-vallée sur de très longues distances (des dizaines de micromètres) dans une monocouche de WSe2en utilisant une expérience de pompe-sonde optique à résolution spatiale. Enfin, nous présentons une méthode optique originale qui permet de quantifier la contribution respective des bandes de conduction et de valence au dédoublement Zeeman mesuré dans des champs magnétiques longitudinaux; cette méthode exploite les caractéristiques de recombinaison des complexes excitoniques. Elle conduit à une détermination directe des facteurs �� de l'électron et du trou dans une monocouche deWSe2

Triggered by the success of graphene, research on two-dimensional (2D) atomiccrystals has grown extremely rapidly over the last decade. The family of 2D materialsexhibits an exceptional variety of electronic properties related to their low-dimensionalcharacter, from insulators, to metals, semimetals, topological insulators,semiconductors, and superconductors. In addition, atomically- thin layers with differentproperties can be assembled in vertical stacks commonly referred as van der Waalsheterostructures, allowing the design of artificial materials with tailored physicalproperties. These heterostructures open up new perspectives for controlling the opticaland spin properties of materials. They can provide not only rich physics associated tonovel phenomena but they are also promising for future applications in optoelectronicsor spin(valley)tronics.2D semiconductors based on Transition Metal Dichalcogenide (TMD) monolayersinvestigated in this thesis have very original properties: (1) 2H phase TMD have layer-dependent band structure: they become direct bandgap semiconductors when thinningdown to monolayer while they remain indirect bandgap semiconductors in bulk form;(2) the light-matter interaction in TMD monolayers is very strong, for example, theabsorbance of a single WS2 layer can exceed 15%. This remarkable light-matterinteraction is governed by excitons, tightly bound electron-hole pairs with typicalbinding energy of several hundreds of meV. (3) TMD monolayers have unique spin-valley properties which have been studied in detail in this manuscript.In this work, we have used an all-dry stamping method to stack micron-size flakesonto each other and to fabricate high quality van der Waals heterostructures based onWSe2 monolayers. Encapsulation of these WSe2 monolayers by hexagonal boronnitride (hBN), an insulator with large band gap (~6 eV), enables us to reach spectrallinewidths almost limited by the radiative rate of excitons. We performedphotoluminescence experiments to demonstrate that the radiative rate and theresonance energy of the bright neutral exciton in WSe2 monolayer can be tailored bythe variation of the hBN encapsulation thickness. We show that the tuning of theradiative rate and resonance energy is the consequence of the Purcell effect and Lambshift, respectively. Our results demonstrate that we can control the bright-dark excitonsplitting as a result of Quantum Electrodynamical effects.In a charge-tunable device, we also demonstrate a very efficient spin-valley opticalpumping of resident electrons in n-doped WSe2 and WS2 monolayers. We observe that,using a continuous wave laser and appropriate doping and excitation densities,negatively charged exciton (trion) doublet lines exhibit circular polarization of oppositesign; using the same method, we also observe that the photoluminescence intensity ofthe triplet trion is more than four times larger with circular excitation than with linearexcitation. We interpret our results as a consequence of a large dynamic polarizationof resident electrons following circularly polarized excitation. Based on this efficientspin-valley pumping method, we then measure the lateral transport of spin-valleypolarized electrons over very long distances (tens of micrometers) in a single WSe2monolayer by using a spatially resolved optical pump-probe experiment. Finally, wepresent an original optical method that can quantify to the respective contribution ofthe conduction and valence band to the measured Zeeman splitting in longitudinalmagnetic fields by exploiting the optical selection rules of exciton complexes. It yieldsa direct determination of single band �� -factors of electron and hole in a WSe2monolayer