DS07 - Société de l'information et de la communication

Ingénierie des propriétés excitoniques, de spin et de vallée dans les hétérostructures de van der Waals – VallEx

Résumé de soumission

Le développement de composants d’épaisseur ultime (zone active d’épaisseur atomique) est aujourd’hui rendu possible par la découverte de nouveaux matériaux bidimensionnels (2D). La filière des matériaux 2D s’étend désormais bien au-delà du graphène à une large famille de matériaux semiconducteurs, isolants, métalliques et même supraconducteurs. En combinant les avantages de chaque matériau, l’empilement de couches 2D (hétérostructures de van der Waals) ouvrira la voie à une nouvelle classe de composants pour l’optoélectronique, la spintronique, l’électronique flexible ou le photovoltaïque.
Parmi les nombreuses familles de matériaux 2D, les monocouches de dichalcogénures de métaux de transition (TMDC) tels que MoS2, WS2, MoSe2, WSe2 et MoTe2 présentent des propriétés particulièrement remarquables. Contrairement au graphène, les monocouches de TMDC sont des semiconducteurs à gap direct les rendant intéressantes pour des applications en électronique ou en optoélectronique dans le domaine visible et le proche infrarouge. Elles présentent notamment une très forte interaction lumière-matière régie par des excitons restant robustes même à température ambiante (les paires électron-trou sont liées par l’interaction coulombienne avec une énergie de liaison de plusieurs centaines de meV). Cette interaction lumière-matière peut être mise à profit pour le développement de photodétecteurs, de LEDS, de cellules solaires ou pour l’optique non-linéaire. De plus, la brisure de symétrie d’inversion du cristal combinée à un très fort couplage spin-orbite offre la possibilité de contrôler simultanément le spin et l’indice de vallée des électrons ; ces deux degrés de liberté pouvant être utilisés pour le stockage ou le traitement de l’information. Ainsi, les TMDC ouvrent la voie au développement de composants pour la spintronique ou la valléetronique à condition d’afficher des temps de vie de spin-vallée suffisamment longs et de contrôler efficacement ces degrés de liberté.
Le but de ce projet est de développer un contrôle précis de l’interaction lumière-matière et des propriétés de spin-vallée dans des monocouches de TMDC intégrées à des hétérostructures de van der Waals innovantes. Trois paramètres de contrôle pouvant aisément être intégrés dans un composant réel seront étudiés : l’environnement diélectrique, la densité de porteurs et le champ électrique.
Tout d’abord, nous améliorerons la qualité de nos hétérostructures de van der Waals (principalement l’empilement de monocouches de TMDC, de graphène et de hBN) en les fabriquant sous une atmosphère strictement contrôlée. Ensuite, nous évaluerons la possibilité de réaliser une ingénierie de l’environnement diélectrique pour contrôler l’énergie et la force d’oscillateur des états excitoniques. En parallèle, nous étudierons les mécanismes de relaxation de spin-vallée dans les monocouches de TMDC. La plupart des études existantes se concentrant sur les propriétés de spin-vallée d’excitons aux temps de vie extrêmement courts (excitons brillants), nous nous intéresserons à des particules (ou quasi-particules) aux temps de vie plus longs et donc plus prometteuses pour la spin-valléetronique (excitons noirs, excitons indirects, porteurs résidents). Les signatures optiques de ces espèces étant plus difficiles à observer que celles des excitons brillants, nous fabriquerons des structures particulières (dispositifs à charge ajustable, hétérostructures de type II, échantillons avec excitation par la tranche). Enfin, nous étudierons les effets de champs électriques externes et internes sur les propriétés excitoniques et de spin-vallée des monocouches de TMDC. En particulier, nous chercherons à observer les effets Stark et Bychkov-Rashba qui pourront être mis à profit pour le développement de composants optoélectroniques et spintroniques à base de TMDC. Notre objectif final est d’obtenir une preuve de concept de mémoire de spin-vallée fonctionnant à température ambiante.

Coordination du projet

Cedric ROBERT (Laboratoire de physique et chimie des nano-objets)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LPCNO Laboratoire de physique et chimie des nano-objets

Aide de l'ANR 244 080 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2017 - 36 Mois

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