Excitons dans le nitrure de bore lamellaire : étude des phases hexagonale, rhomboédrique et d’hétérostructures 2D.

Excitons in lamellar boron nitride : study of the hexagonal and rhombohedral phases and of 2D heterostructures.

• Auteur / Autrice : Alexandre Plaud
• Direction : Julien Barjon, Annick Loiseau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 10/09/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale INTERFACES : approches interdisciplinaires, fondements, applications et innovation
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe d’Etude de la Matière Condensée (GEMAC) - Office national d'études et recherches aérospatiales (France). Département Matériaux et Structures (DMAS)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Marie
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Vignaud, Stéphane Berciaud, Daniel Araújo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Vignaud, Stéphane Berciaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cathodoluminescence

Hétérostructures

Nitrure de bore

Excitons

Mots clés libres

Excitons

Nitrure de bore

Nitrure de bore hexagonal hBN

Nitrure de bore rhomboédrique rBN

Hétérostructures 2D

Cathodoluminescence

Excitons

Boron nitride

Hexagonal boron nitride hBN

Rhombohedral boron nitride rBN

2D heterostructures

Cathodoluminescence

Résumé

Le nitrure de bore hexagonal (hBN) est un semiconducteur lamellaire possédant une large bande interdite de type indirect (> 6 eV). L’autre structure lamellaire du nitrure de bore est rhomboédrique (rBN), mais beaucoup moins connue et étudiée. L’objectif de cette thèse est l’étude des excitons à l’origine de la luminescence de ces deux phases mais aussi d’hétérostructures 2D, où le hBN est utilisé en combinaison d’autres matériaux 2D dans des empilements verticaux.L’étude des propriétés des excitons dans hBN est réalisée sur un cristal de référence synthétisé par haute pression et haute température au Japon. L’énergie de liaison des excitons ainsi que le rendement quantique interne du hBN sont quantitativement évalués par spectroscopie de cathodoluminescence. L’anomalie observée entre absorption et luminescence est résolue avec l’identification du rôle respectif des excitons directs et indirects. À forte excitation, l’efficacité de luminescence de hBN décroit, limitée par une annihilation entre excitons, particulièrement efficace dans ce matériau.Associées à une caractérisation structurale, les signatures spectroscopiques de luminescence et Raman de la phase rhomboédrique sont identifiées. Elles ont permis d’analyser les propriétés de couches minces synthétisées par voie chimique (CVD).La dernière partie de cette thèse porte sur l’étude d’hétérostructures 2D de type hBN/MoX2/hBN où X = S ou Se. Une caractérisation exhaustive des propriétés de luminescence, vibrationnelles et structurales est menée sur l’ensemble des matériaux constituants. Les analyses sont menées à la fois en vue plane et en section transverse grâce à la découpe de lames minces par faisceau d’ions focalisés. Des résultats préliminaires sur la diffusion des excitons et sur les excitons d’interface y sont présentés.

Hexagonal boron nitride (hBN) is a lamellar wide indirect bandgap semiconductor (> 6 eV). The other lamellar boron nitride phase is rhombohedral (rBN), but much less known and studied. The goal of this thesis is the study of the excitons source of the luminescence of both phases and of 2D heterostructures, where hBN is used in combination with other 2D materials in vertical stacks.The study of hBN excitons properties is performed on a reference sample synthesized by high pressure and high temperature in Japan. Excitons binding energy as well as hBN internal quantum yield are quantitatively assessed by cathodoluminescence spectroscopy. The observed anomaly between absorption and luminescence is resolved thanks to the identification of the role of direct and indirect excitons respectively. At high excitation, hBN luminescence efficiency decreases limited by exciton-exciton annihilation. This phenomenon is especially efficient in this material.Combined with a structural characterization, the Raman and luminescence spectroscopic signature of the rhombohedral phase are identified. This allowed the analysis of the properties of chemically synthesized thin films (CVD).The last part of this thesis is devoted to the study of a 2D heterostructure hBN/MoX2/hBN where X = S or Se. An exhaustive characterization of the luminescence, vibrational and structural properties is carried out on all the components. Analyses are performed in both flat view and cross-section thanks to the cutting of a thin lamella by focused ion beam. Preliminary results on excitons diffusion and interface excitons are presented.