Le backside absorbing layer microscopy pour l'étude des caractéristiques électro-optiques locales des dispositif basé sur des cristaux TMD bi-dimensionnels

par Nathan Ullberg

Projet de thèse en Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies

Sous la direction de Vincent Derycke.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering , en partenariat avec NIMBE - Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Energie - DRF/IRAMIS (laboratoire) , Laboratoire Innovation en Chimie de Surface Et Nanosciences (equipe de recherche) et de Faculté des sciences d'Orsay (référent) depuis le 03-08-2020 .


  • Résumé

    Les matériaux bidimensionnels (2D) sont une classe de nanomatériaux présentant un confinement dimensionnel le long d'un seul axe : les dimensions latérales sont macroscopiques mais l'épaisseur est nanométrique. Ces matériaux, comme le graphène semi-métallique ou la famille des dichalcogénures de métaux de transition (TMD) semiconducteurs , font l'objet de recherches actives depuis 2004 en raison de leur potentiel pour de nouvelles technologies et de leurs propriétés intéressantes au niveau fondamental [1]. L'utilisation de substrats avec des couches d'interférences (étalon Fabry-Perot) a joué un rôle important pour réaliser et améliorer la visibilité des matériaux 2D lorsqu'ils sont observés au microscope optique. Le substrat le plus courant est le silicium cristallin avec du SiO2 amorphe de quelques centaines de nanomètres servant de couche d'interférences [2]. De tels substrats, qui se comportent comme un interféromètre à chemin commun, améliorent considérablement la sensibilité aux changements de chemin optique dus aux effets d'interférences [3]. En 2017, une technique basée sur l'utilisation d'une couche métallique ultra-mince sur des lamelles de verre comme couche d'interférences, avec un éclairage par la face arrière en mode réflexion, a été introduite. Elle est appelée « backside absorbing layer microscopy » (BALM). Ce système offre un certain nombre d'avantages, notamment la possibilité de travailler avec des solvants et d'utiliser la couche métallique comme électrode. Il est bien adapté à l'étude de matériaux 2D et en particulier pour le suivi in situ de leur modification chimiques ou électrochimique [4,5]s. L'objectif de la thèse est de développer cette technique BALM pour combiner les mesures optiques à des mesurés électriques « in operando » dans des dispositifs de type transistors à base de semiconducteurs 2D. Le point d'entrée concernera les caractéristiques électro-optiques de la monocouche de disulfure de molybdène (MoS2). Les substrats seront soigneusement conçus par un choix approprié de la couche métallique évaporée ainsi que des couches diélectriques, combinées à des techniques de microfabrication pour réaliser des configurations de dispositifs comme des condensateurs et des transistors. Il est connu que les propriétés optiques (n,k) du MoS2 à certaines longueurs d'onde sont fortement accordables par l'application d'un champ électrique [6,7], et ceci a également été utilisé très récemment pour extraire des profils de densité de charge [8]. L'utilisation de la technique BALM est prometteuse pour l'étude des paramètres physiques des dispositifs in operando, avec un débit et un rapport signal/bruit élevés, en utilisant des équipements optiques facilement accessibles. [1] Q. H. Wang et al., Nat. Nanotechnol., 7 (2012) 699 [2] P. Blake et al., Appl. Phys. Lett., 91, (2007) 063124 [3] O. Avci et al., Sensors (Basel), 15 (2015) 17649-17665 [4] S. Campidelli et al., Sci. Adv., 3 (2017) e1601724 [5] K. Jaouen et al., Nanoscale, 11 (2019) 6129-6135 [6] Y. Yu et al., Nano Lett., 17 (2017) 3613-3618 [7] V. G. Kravets et al., NPJ 2D Mater. Appl., 3 (2019) 36 [8] H. Zhu et al., ACS Nano, 13 (2019) 2298-2306

  • Titre traduit

    Backside absorbing layer microscopy to study local electro-optic characteristics of atomically thin TMD crystals in device configuration


  • Résumé

    Two-dimensional (2D) materials are a class of nanomaterials with dimensional confinement along one axis, where the lateral dimension is macroscopic while the thickness is nanometric. Such materials, like the semi-metallic graphene or semiconducting family of transition metal dichalcogenides (TMD), are being actively researched ever since 2004 due to their prospects for next-generation technologies and interesting properties for fundamental science [1]. The use of substrates with interference coatings (Fabry-Perot etalons) have played an important role to realize and improve the visibility of 2D materials when viewed under an optical microscope. The most common such substrate is crystalline silicon with amorphous SiO2 of a few hundred nanometers serving as the interference coating [2]. Such substrates, which behave as a common-path interferometer, significantly enhance sensitivities to changes in optical path lenghts due to interference effects [3]. In 2017, a technique based on using an ultra-thin metallic layer on glass coverslips as an interference coating, with illumination from the backside in reflection mode, was introduced. It is called backside absorbing layer microscopy (BALM). This scheme provides a number of advantages including compatability to work with solvents, and the possibility to use the metallic layer as an electrode. It is well suited to study 2D materials undergoing in situ processes [4,5], such as electrochemical reactions or live chemical modifications. The objective of the thesis is to further extend BALM to combine the optical measurements with live operation of 2D TMD based electronic devices. The entry point will be to focus on the electro-optic characteristics of monolayer molybdenum disulfide (MoS2). Substrates will be carefully engineered by suitable choice of the evaporated metallic layer as well as additional dielectric coatings, combined with microfabrication techniques to realize device configurations like capacitors and transistors. It is known that the optical properties (n,k) of MoS2 at certain wavelengths are highly tunable by application of an electric field [6,7], and this has also been used to extract charge profiles [8]. The use of BALM in certain configurations is promising for the study of device physics parameters in operando, with high throughput and high signal-to-noise ratio, using readily accessible optical equipment. [1] Q. H. Wang et al., Nat. Nanotechnol., 7 (2012) 699 [2] P. Blake et al., Appl. Phys. Lett., 91, (2007) 063124 [3] O. Avci et al., Sensors (Basel), 15 (2015) 17649-17665 [4] S. Campidelli et al., Sci. Adv., 3 (2017) e1601724 [5] K. Jaouen et al., Nanoscale, 11 (2019) 6129-6135 [6] Y. Yu et al., Nano Lett., 17 (2017) 3613-3618 [7] V. G. Kravets et al., NPJ 2D Mater. Appl., 3 (2019) 36 [8] H. Zhu et al., ACS Nano, 13 (2019) 2298-2306