Étude des propriétés électroniques des perovskites bidimensionnelles à halogénure métallique par spectroscopie magnéto-optique

Investigation of the electronic properties of two-dimensional metal halide perovskites via magneto-optical spectroscopy

• Auteur / Autrice : Shuli Wang
• Direction : Duncan Maude, Paulina Plochocka-Maude
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 15/05/2023
• 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 : Vincent Paillard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Adam Babinski
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Grzegorz Sęk, Maria Chamarro

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pérovskites

Mots clés libres

Pérovskites d'halogénure métallique bidimensionnelles

Nanoplaquettes

Pérovskites dopées au Mn

Spectroscopie magnéto-Optique

Fractionnement des excitons sombre-Brillant

Facteur g des excitons

Two-Dimensional metal halide perovskites

Nanoplatelets

Mn-Doped perovskites

Magneto-Optical spectroscopy

Dark-Bright exciton splitting

Exciton g-Factor

Résumé

Ces dernières années, les matériaux pérovskites bidimensionnels (2D) ont attiré une attention considérable en raison de leurs propriétés électroniques et optiques uniques et excellentes, qui en font un semi-conducteur extrêmement prometteur pour les applications d'émission de lumière et d'affichage. En outre, la pérovskite non magnétique peut devenir un semi-conducteur magnétique en incorporant des impuretés magnétiques dans les réseaux de la pérovskite hôte pour introduire des propriétés magnétiques. La coexistence d'excellentes propriétés optoélectroniques et magnétiques fait de la pérovskite 2D semi-magnétique un matériau très prometteur pour les dispositifs semi-conducteurs opto-spintronique pour le traitement de l'information et les communications.Dans cette thèse, nous explorons les propriétés électroniques et optiques des pérovskites 2D via la spectroscopie magnéto-optique. Nous commençons par effectuer des mesures de magnéto-photoluminescence (PL) et de magnéto-transmission sur des nanoplaquettes à base de CsPbBr3 avec une épaisseur différente de la dalle de plomb-halogénure, allant de 2 à 4 couches de plan octaédrique de plomb-halogénure. En appliquant des champs magnétiques dans le plan jusqu'à 65 T, l'état excitonique sombre optiquement inactif est éclairci. Cette approche nous permet d'observer directement une amélioration de l'émission PL du côté basse énergie du spectre PL, ce qui indique que l'état excitonique sombre optiquement inactif est l'état le plus bas dans ces nanoplaquettes. De plus, en combinant nos résultats de magnéto-PL et de magnéto-transmission avec les prédictions théoriques de la division de la structure fine de l'exciton, nous déterminons avec précision la division d'énergie entre les excitons sombres et brillants. Nous démontrons qu'en effet, la division des excitons sombres et brillants augmente avec la diminution des couches du plan octaédrique du plomb-halogénure. Nous démontrons également que l'émission efficace de ces nanoplatelles est due à un effet de goulot d'étranglement phononique, qui réduit considérablement la relaxation des excitons photoexcités vers l'état sombre optiquement inactif.Enfin, nous étudions les propriétés électroniques de la perovskite 2D (PEA)2PbI4 dopée au Mn par spectroscopie de magnéto-transmission pour différentes fractions molaires de Mn. Nous constatons que le facteur g de Lande des excitons peut être contrôlé par la concentration de Mn incorporé. Avec l'augmentation de la concentration x de Mn de 0 à 2%, le facteur g augmente, ce que nous attribuons à l'interaction d'échange sp-d entre les excitons de bord de bande et les spins hébergés dans les ions Mn. Si la concentration en Mn est encore augmentée, jusqu'à 5%, le facteur g des excitons diminue. Cette contre-tendance anormale est attribuée aux interactions Mn-Mn, qui résultent en un couplage anti-ferromagnétique efficace.

Abstract: In recent years, two-dimensional (2D) perovskite materials have attracted considerable attention duo to their unique and excellent electronic and optical properties, which make them an extremely promising semiconductor for light-emitting and display applications. Furthermore, the nonmagnetic perovskite can be semi magnetic semiconductor by incorporating magnetic impurities into lattices of the host perovskite to introduce magnetic properties. The coexistence of both excellent optoelectronic and magnetic properties, makes semi magnetic 2D perovskite to be a considerably promising material for opto-spintronic semiconductor devices for information processing and communications.In this thesis, we explore the electronic and optical properties of 2D perovskites via magneto-optical spectroscopy. We start from performing magneto-photoluminescence (PL) and magneto-transmission measurements on CsPbBr3-based nanoplatelets with a different thickness of the lead-halide slab, ranging from 2 to 4 layers of lead-halide octahedral plane. By applying in-plane magnetic fields up to 65 T, the optically inactive dark excitonic state is brightened. This approach allows us to directly observe an improvement of the PL emission on the low-energy side of the PL spectrum, which indicates that the optically inactive dark excitonic state is the lowest-lying state in these nanoplatelets. Additionally, combining our magneto-PL and magneto-transmission results with theoretical predictions of the exciton fine structure splitting, we accurately determine the energy splitting between the dark and bright excitons. We demonstrate that indeed the dark-bright exciton splitting increases with decreasing layers of lead-halide octahedral plane. We also demonstrate that the efficient emission from these nanoplateltes is due to a phonon bottleneck effect, which significantly reduces the relaxation of the photo excited excitons to the optically inactive dark state.Finally, we investigate the electronic properties of Mn-doped 2D (PEA)2PbI4 perovskite via magneto-transmission spectroscopy for various Mn molar fractions. We find that the exciton Lande g-factor can be controlled by the incorporated Mn concentration. With increasing Mn concentration x from 0 to 2%, the g-factor increases, which we attribute to the sp-d exchange interaction between band-edge excitons and spins hosted in Mn ions. If the Mn concentration is increased further, up to 5%, the exciton g-factor decreases. This anomalous counter-trend is attributed to the Mn-Mn interactions, which result in an effective anti-ferromagnetic coupling.