Novel two dimensional material devices : from fabrication to photo-detection

par Zhesheng Chen

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Abhay Shukla.

Soutenue le 10-09-2015

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris) , en partenariat avec Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (laboratoire) .

Le jury était composé de Johann Coraux, Laurent Vivien, Yannick Dappe, Jérôme Tignon.

  • Titre traduit

    Dispositifs avec de nouveaux matériaux bidimensionnels : de la fabrication à la photo-détection


  • Résumé

    Au delà du graphène, de nouveaux semiconducteurs 2D tels que MoS2, GaS, GaSe et InSe deviennent pertinents pour les applications et dispositifs émergents. Dans cette thèse, nous fabriquons des échantillons de quelques feuillets atomiques de ces matériaux pour des dispositifs de photo-détecteurs et les caractérisons par microscopie optique, AFM et TEM. L'interaction de la lumière avec le substrat et le dispositif ultra-mince étant critique pour son fonctionnement, nous calculons et mesurons le contraste et l'intensité de la lumière diffusée par le dispositif. Nous caractérisons également la réponse Raman et la photoluminescence en fonction du nombre de couches pour étudier les propriétés vibrationnelles et électroniques. Plusieurs dispositifs ont été fabriqués et analysés. Nous examinons d'abord les dispositifs homogènes basés sur MoS2, GaSe ou InSe, et trouvons une excellente photosensibilité pour notre photo-détecteur MoS2. Nous examinons ensuite plusieurs hétéro-structures pour combiner les propriétés de chaque matériau et atteindre de meilleures performances. Le premier exemple est un photo-détecteur graphène/InSe dont la photosensibilité augmente de quatre ordres de grandeur par rapport à un dispositif basés sur InSe seul. Nous montrons également que la couche supérieure de graphène prévient la dégradation de couches atomiques ultra-minces dans l'air. Des hétéro-structures plus complexes graphène/InSe/graphène et graphène/InSe/Au montrent un effet photovoltaïque. Enfin, nous combinons InSe avec MoS2 et obtenons un dispositifs avec photo-réponse rapide, un comportement de type photo-diode, une distribution de photo-courant uniforme et un fort effet photovoltaïque.


  • Résumé

    Novel two dimensional (2D) semiconductors beyond graphene such as MoS2, GaS, GaSe and InSe are increasingly relevant for emergent applications and devices. In this thesis, we fabricate these 2D samples for photo-detector applications and characterize them with optical microscopy, atomic force microscopy, Raman and photoluminescence (PL) spectroscopy and transmission electron microscopy. Since the interaction of light with the substrate and the ultra-thin photodetector device is critical for its functioning we calculate and measure optical contrast and intensity of light scattered from the device. We also characterize the Raman and PL response as a function of number of layers to study both vibrational properties and the band gap transition. For the device application, we first examine homogenous devices based on few-layer MoS2, GaSe and InSe respectively and find an excellent photoresponsivity in our few-layer MoS2 photo-detector. We then examine several geometries for heterostructure devices, which have the advantage of combining favorable properties of each material to reach better performances. The first example is a graphene/InSe photo-detector where the photoresponsivity increases by four orders of magnitude with respect to a few-layer InSe device while the top graphene layer is also shown to prevent degradation of ultra-thin atomic layers in air. Still more complex graphene/InSe/graphene and graphene/InSe/Au heterostructures show a photovoltaic effect. Finally for the first time, we combine InSe with MoS2 and obtain a high performance device with fast photo-response, photodiode like behavior, uniform photocurrent distribution and high photovoltaic effect.


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