Hétérostructures bi-dimendionnelles hybrides pour l'optoélectronique – H2DH

Les cristaux bidimensionnels (2D), dont l’épaisseur n’est que de quelques atomes, sont dotés de propriétés électroniques et optiques remarquables, qui diffèrent drastiquement de celles des cristaux massifs. De plus, ces systèmes offrent des perspectives passionnantes pour réaliser des héterostructures de "van der Waals". En effet, les cristaux 2D présentent un gaz d'électrons directement exposé à l’environnement extérieur. De fait, leurs propriétés sont considérablement affectées par le couplage non-covalent avec des adsorbats de surface. Jusqu'à présent, beaucoup d’efforts ont été consacrés aux hétérostructures à base de graphène, de nitrure de bore, et de dichalcogénures de métaux de transition (MX2, avec M = Mo, W et X = S, Se, Te). En particulier, le graphène, en tant que semi-métal 2D et les "monocouches" MX2, comme semi-conducteurs à bande interdite directe, sont des briques élémentaires de choix pour de nouveaux dispositifs optoélectroniques (OEDs). Néanmoins, la fabrication d'hétérostructures à base de graphène et de MX2 s’appuie sur des processus sophistiqués, qui limitent l’optimisation et la production de dispositifs à grande échelle.

En parallèle, une avancée majeure a été réalisée avec la croissance colloïdale de nanoplaquettes (NPL, ou puits quantiques) semi-conductrices et d’hétérostructures 2D (cœur/coque et cœur/couronne), à base de chalcogénures métalliques (CdSe, CdS, CdTe,...). Les NPL sont d’excellents absorbeurs et émetteurs de lumière. L’épaisseur d’une NPL, qui définit sa structure électronique et l’énergie des photons émis, est contrôlée à la monocouche près, tandis que ses dimensions latérales peuvent atteindre le micromètre. En outre, la chimie de surface d’une NPL est aisément contrôlable. Enfin, des quantités importantes et très homogènes de NPL peuvent être synthétisées, et intégrées dans OEDs. Cependant, le transport électronique dans des films de NPL reste limité par des processus de transport par sauts, ce qui réduit la mobilité électronique.

Il apparaît donc naturel de combiner i) une couche de graphène ou de MX2 - comme canal semi-métallique ou semi-conducteur possédant de bonnes propriétés de transport - et ii) des NPL - en tant que matériaux optiquement actifs, aux propriétés accordables -, dans de nouvelles hétérostructures 2D hybrides (H2DH). Les performances optoélectroniques des H2DH sont régies par l'alignement des bandes, les interactions avec le substrat et, par des phénomènes à courte portée tels que le transfert de charge et le transfert d'énergie résonant de Förster (FRET). Le FRET entre une NPL photoexcitée et une couche de graphène ou de MX2 peut court-circuiter des processus de transfert de charge directs, qui pourraient conduire à un courant électrique, utile pour des OEDs. Le FRET peut être considéré comme un moyen efficace de recueillir l'énergie des donneurs photoexcités. En revanche, en l'absence d'un mécanisme de séparation de charge, l'énergie transférée sera rapidement dissipée en chaleur. Les H2DH constituent une plateforme idoine pour aborder ces questions et découvrir de nouveaux régimes de transport électronique, de photoconductivité, de photodétection et de contrôle électrique de la luminescence.

Notre projet propose de synthétiser des matériaux 2D de haute qualité (graphène, MX2, et NPL) qui seront assemblés en H2DH contactées électriquement, à l’aide de méthodes de fabrication originales fondées sur un traitement sans résine des cristaux 2D et l’utilisation de grilles électrochimiques. Nous allons étudier les principes fondamentaux de transfert de charge et d'énergie dans les systèmes NPL-graphène et NPL-MX2, grâce à un ensemble complémentaire de mesures de photoémission, de spectroscopie optique et de transport électronique. Ce travail fondamental guidera un effort plus appliqué, mais tout aussi important, de développement et d’étude complète d'une nouvelle gamme de phototransistors à base de H2DH.