Hétérostructures de van der Waals suspendues : de la spectroscopie optique à l’opto-électro-mécanique

Suspended van der Waals heterostructures : from optical spectroscopy to opto-electro-mechanics

• Auteur / Autrice : Loïc Moczko
• Direction : Stéphane Berciaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 29/03/2023
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique et chimie des matériaux (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Ivan Favero
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valia Voliotis, Mircea-Vasile Rastei, Ludger Wirtz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antoine Reserbat-Plantey, Fabian Cadiz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hétérostructures

Forces de Van der Waals

Propriétés mécaniques

Matériaux 2D

Mots clés libres

Matériaux bidimensionnels

Hétérostructures de van der Waals

Spectroscopie Raman

Spectroscopie de photoluminescence

Nanomécanique

Opto-électro-mécanique

Effets diélectriques

Effets de contraintes

Two-dimensional materials

Van der Waals heterostructures

Raman spectroscopy

Photoluminescence spectroscopy

Nanomechanics

Opto-electro-mechanics

Dielectric screening

Strain

Résumé

Dans cette thèse, nous présentons une étude des propriétés physiques de matériaux bidimensionnels et d’hétérostructures de van der Waals en combinant des techniques de spectroscopie optique et de nanomécanique. En premier lieu, nous nous intéressons à l’influence de l’environnement sur la réponse optique de matériaux bidimensionnels. Nous étudions la réponse en photoluminescence et le spectre Raman de monocouches de dichalcogénures de métaux de transition (TMD) suspendues et soumises à une forte excitation laser. Nos résultats mettent en évidence la formation d’une phase dense d’électrons et de trous sur une monocouche de disulfurede molybdène (MoS2) ainsi qu’une forte conversion d’excitons en trions sur une monocouche de disulfure de tungstène (WS2). Le cas de monocouches de graphène est étudié en analysant l’évolution des fréquences des phonons optiques, obtenues par micro-spectroscopie Raman, en fonction de l’environnement diélectrique. Cette étude démontre que la sensibilité d’un mode de phonon du graphène vis-à-vis de l’écrantage diélectrique dépend de sa symétrie. Enfin, nous démontrons sur un nano-résonateur mécanique en forme de tambour dont la membrane vibrante est constituée d’une hétérostructure de van der Waals, qu’il est possible de modifier et contrôler électro-mécaniquement la réponse optique de l’hétérostructure utilisée. Ce travail montre que l’architecture en nanotambours permet d’appliquer une contrainte ajustable tout en modifiant le niveau de dopage et ouvre la voie vers le développement de dispositifs opto-électro-mécaniques dont les caractéristiques sont contrôlables avec une grande précision.

In this thesis, we present an investigation of the physical properties of two-dimensional materials and van der Waals heterostructures by combining optical spectroscopy and nanomechanical measurements. First, we investigate how the environment surrounding the material affects its optical properties. We study the photoluminescence and Raman spectra of suspended semiconducting transition metal dichalcogenides (TMD) monolayers submitted to a strong laser excitation. We show that a dense electron-hole phase can be formed in monolayers of molybdenum disulfide (MoS2) and observe a strong excitons to trions conversion in tungsten disulfide (WS2).The case of graphene is investigated through a systematic analysis of the evolution of the optical phonon frequencies in monolayer graphene by the means of micro-Raman spectroscopy in order to understand the role of dielectric screening. Our results demonstrate that the sensitivity of a phononmode in graphene towards dielectric screening is determined by its symmetry. Finally, we use a drum-like mechanical resonator where a van der Waals heterostructure acts as a vibrating membrane, to study the interplay between the mechanical degrees of freedom of the resonator and the optical response of the used heterostructure. This work demonstrates that the drum-like sample architecture allows to control the strain and doping levels and paves the way to the development of finely tunable opto-electro-mechanical systems such as light sources and detectors.