Study of the optoelectronic properties of atomically thin WSe2

par Marco Manca

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Bernhard Urbaszek et de Thierry Amand.

Soutenue le 18-06-2019

à Toulouse, INSA , dans le cadre de École Doctorale Sciences de la Matière (Toulouse) , en partenariat avec Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-objets (laboratoire) et de Laboratoire de physique et chimie des nano-objets / LPCNO (laboratoire) .

Le président du jury était Vincent Paillard.

Le jury était composé de Bernhard Urbaszek, Thierry Amand, Jacqueline Bloch, Stephane Berciaud, Clement Faugeras.

Les rapporteurs étaient Jacqueline Bloch, Stephane Berciaud.

  • Titre traduit

    Étude des propriétés optoélectroniques de monocouches atomiques de WSe2


  • Résumé

    : Les dichalcogénures de métaux de transition (TMDs) constituent une famille de matériaux lamellaires riches de potentialités en optique et en électronique. La caractérisation des TMDs a permis la découverte de leurs propriétés physiques exceptionnelles : amincis à l’état de mono-feuillets, les TMDs semi-conducteurs deviennent des matériaux à bande interdite directe, donc très efficaces pour l’absorption ou l’émission de lumière. Le gap direct de ces semi-conducteurs est situé aux points K, à la frontière de la zone de Brillouin. Les propriétés optiques sont dominées par les excitons paires électron-trou liées par l’attraction de Coulomb et l’interaction lumière-matière y est extrêmement forte, l’absorption d’un faisceau lumineux pouvant atteindre 20% par monocouche. Outre l’existence du gap, les TMDs se différencient du graphène par leur fort couplage spin-orbite, ainsi que par la rupture de la symétrie d’inversion. En conséquence, les règles de sélection pour les transitions optiques à travers le gap ont un caractère chiral. Les états de spin opposés dans les bandes de valence et de conduction sont significativement clivés en énergie du fait de l’interaction spin-orbite. Cette propriété permet d’exciter optiquement des états de spin et de vallée spécifiques dans l’espace réciproque et de suivre leur comportement dynamique. Ainsi, les TMDs mono-feuillets constituent-ils des systèmes modèles très attractifs pour l’étude de la physique des états de spin et de vallée.


  • Résumé

    Transition Metal Dichalcogenides (TMDs) are a family of layered materials with potential applications in optics and electronics. Following the discovery of graphene, TMDs were characterized and extraordinary physical properties were discovered: when thinned down to a monolayer, TMDs become direct band gap materials, therefore strongly facilitating light emission. The direct bandgap of these semiconductors is situated on the edge of the Brillouin zone, at the K-point. This is different from standard semiconductors for optoelectronics like GaAs where the bandgap is in the centre of the Brillouin zone. The optical properties are dominated by excitons, and light-matter interaction is extremely strong with up to 20% of light absorption per monolayer. In addition to a bandgap, TMDs present strong spin-orbit coupling and broken inversion symmetry. As a result, the optical transitions across the bandgap have chiral selection rules. The spin states in the valence and conduction bands are well separated in energy by the spin-orbit interaction. This makes it possible to optically address specific spin and valley states in momentum space and monitor their dynamics. As a result monolayer TMDs are exciting model systems for spin and valley physics: these research fields are termed spintronics and valleytronics. This motivated our work on the exact understanding of the optical transitions, their polarization selections rules and the different exciton states.


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2019 par INSA Toulouse à Toulouse

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Informations

  • Sous le titre : Study of the optoelectronic properties of atomically thin WSe2
  • Détails : 1 vol.(VI-110-XLIV)
  • Annexes : Bibliogr.p. I-XVI
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