Polarisation de vallée induite par couplage d'échange magnétique dans les matériaux 2D à grande échelle – MAGICVALLEY

Ce projet a pour objectif de fabriquer des couches de MX2 et des matériaux 2D magnétiques de grande qualité sur de grandes surfaces (de l'ordre du cm2) en utilisant des techniques transposables à la microélectronique. Le magnétisme dans les matériaux 2D sera soit intrinsèque (dans VSe2 ou MnSe2) soit par dopage magnétique des couches de MX2 avec du Mn, du V ou du Fe. Notre objectif est d'atteindre des températures de Curie plus élevées que dans CrI3 (45 K) et Cr2Ge2Te6 (40 K), éventuellement au-dessus de la température ambiante.
Une grande part des efforts sera dédiée à la croissance des matériaux par EJM et CVD sur des substrats adaptés (graphène, mica ou oxydes), à la caractérisation de leurs propriétés atomiques, électroniques et magnétiques à différentes échelles. Les techniques de croissance (EJM, CVD) et les outils de caractérisation de laboratoire (AFM, réflectivité optique et de rayons X, photoluminescence, spectroscopie Raman, diffraction de rayons X, XPS, SQUID, MOKE, FMR et magnéto-transport) sont tous disponibles dans le consortium. La force de ce projet est l'utilisation de techniques de caractérisation avancées pour l'étude approfondie des propriétés des couches 2D et de leurs hétérostructures de van der Waals. Cela inclue la microscopie et la spectroscopie à effet tunnel (STM/STS) à basse température pour avoir accès à la structure atomique et électronique à l'échelle atomique; l'ARPES résolue en spin (spin-ARPES) pour obtenir la structure de bandes résolue en spin sur de grandes surfaces (10-100 µm); la microscopie électronique à transmission (STEM/TEM) pour l'étude de la structure atomique et la composition chimique à l'échelle atomique et la microscopie à force de Kelvin (KPFM) pour mesurer les potentiels de surface et l'alignement de bandes dans les hétérostructures. Le travail expérimental sera appuyé par un travail théorique pour comprendre les propriétés électroniques et magnétiques des couches 2D et les effets de proximité.

- Développement du diséléniure ferromagnétique : V1-xPtxSe2.
- Dopage vanadium du WSe2 réussi par EJM : les atomes de V substituent bien les atomes de W; l'étude STM/STS montre également que le dopant dans WSe2 constitue une entité chargée négativement, probablement non magnétique. Cette charge négative provient de la capture d’un électron du graphène dans un état vide induit par le V juste au-dessus du haut de bande valence de WSe2. Ceci est bien confirmé par des calculs ab initio
- Mise en évidence de l’effet Nernst de vallée dans WSe2 par la technique de spin pumping-résonance ferromagnétique.
- Optimisation de la croissance de MoSe2 et WSe2 sur SiO2 (par épitaxie en phase solide) et mica (à très faible flux de W et très haute température de croissance)
- Etude des transferts de charges entre WSe2 et graphène par microscopie de Kelvin et calculs ab initio
- Mesure du splitting entre excitons noirs et brillants dans les mono-couches de MoS2
- Mise en évidence des états excitoniques inter-couches dans des bi-couhes de MoS2 et démonstration de l’effet Stark géant associé
- Mesure de la dynamique d’excitons dans des hétérostructures de van der Waals TMD/graphene
- Démonstration du contrôle de la durée de vie radiative des excitons par effet Purcell

Fait marquant:
Nous avons réussi à incorporer du vanadium en substitution du W dans WSe2 par épitaxie par jets moléculaires. De plus, les études STEM et STM/STS ont permis d’identifier et caractériser sans ambiguïté la présence du V contrairement aux autres défauts ponctuels dans les TMDs. Ceci constitue une base solide pour l'étude du magnétisme de WSe2 dopé V.

Perspectives:
- Développement et optimisation de la croissance par INAC de MoSe2, WSe2 sur flakes de hBN fournis par le partenaire LPCNO et mesure des propriétés optiques (réflectivité, luminescence) de ces monocouches de TMD par le LPCNO.
- Développement de la croissance de matériaux 2D ferromagnétiques à base de tellure : Fe3GeTe2 et Fe5GeTe2
- Fabrication d’hétérostructures ferro 2D (VPtSe2, FexGeTey)/MoSe2, WSe2
- Etude STM/STS et STEM/EELS du composé V1-xPtxSe2
- Etude l’effet de l’environnement diélectrique sur la dynamique de spin excitonique

1. N. Leisgang , et al., Nature Nanotechnol. (2020). doi.org/10.1038/s41565-020-0750-

2. J.M. Poumirol, et al., ACS Photonics (2020), dx.doi.org/10.1021/acsphotonics.0c01175

3. C. Robert, et al., Nature Com. 11, 4037 (2020)

4. I. Paradisanos, et al., Nature Com. 11, 2391 (2020)

5. C. Robert, et al., Phys. Rev. B 101, 115307 (2020)

6. E. Lorchat, et al., Nature Nanotechn. 15, 283 (2020)

7. H. H. Fang, et al., Phys. Rev. Lett. 123, 067401 (2019)

8. Julien Chaste, et al., ACS Nano 2020, 14, 10, 13611–13618

9. Jihene Zribi, et al., Phys. Rev. B 102, 115141 (2020)

10. Jihene Zribi, et al., npj 2D Materials and Applications volume 3, Article number: 27 (2019)

11. MT Dau, et al., Nature Com. 10 (1), 1-7 (2019)

12. C Vergnaud, et al., 2D Materials 6 (3), 035019 (2019).

13. MT Dau, et al., APL Materials 7 (5), 051111 (2019).

14. C. Vergnaud, et al., Nanotechnology 31, 255602 (2020)

15. Y. Dappe, et al., Nanotechnology 31, 255709 (2020)

16. Roberto Sant, et al., npj 2D Materials and Applications volume 4, Article number: 41 (2020)

17. P. Mallet et al., Phys. Rev. Lett. 125, 036802 (2020)
DOI:10.1103/PhysRevLett.125.036802

Dans la limite d’un plan atomique, les dichalcogénures de métaux de transition (2H-MX2, avec M=Mo, W et X=S, Se) sont des semiconducteurs avec un gap direct de l’ordre de 1 à 2 eV, et possèdent des vallées (dégénérées) aux coins K+ et K- de la zone de Brillouin. Outre leur intérêt comme semiconducteurs « classiques », cette structure électronique particulière offre l’opportunité d’utiliser le degré de liberté quantique qu’est l’indice de vallée pour le traitement de l’information. Ce domaine de recherche émergent est connu comme la « valléetronique ». Il est établi que les vallées en K+/K- peuvent être adressées indépendamment par de la lumière polarisée circulairement, et que la polarisation de vallée des porteurs peut être détectée électriquement par l’effet Hall de vallée. Cependant, pour une utilisation concrète de ces matériaux en valléetronique, il est nécessaire de trouver un moyen de lever de façon permanente (et contrôlée) la dégénérescence des vallées. Le but du projet MAGICVALLEY est de développer une méthode originale et prometteuse d’atteindre cet objectif, qui consiste à briser l’invariance par renversement du temps par couplage magnétique d’échange avec un matériau 2D magnétique. En premier lieu, un effort important sera consacré à la croissance et à la caractérisation approfondie de matériaux 2D magnétiques, qui seront soit des ferromagnétiques 2D intrinsèques soit des dichalcogénures de métaux de transition dopés avec des impuretés magnétiques. Ensuite, des hétérostructures van der Waals composées d’un empilement couche magnétique 2D/MX2 seront élaborées pour tester la polarisation de vallée par couplage magnétique d’interface. Les matériaux seront préparés sur de grandes surfaces (1 cm2) par épitaxie par jets moléculaires ou par dépôt chimique en phase vapeur. Cette procédure garantit les interfaces très propres indispensables pour un couplage magnétique efficace. De plus, l’utilisation de couches liées par interaction van der Waals supprimera dans une large mesure la réactivité chimique d’interface. Le projet inclut un ensemble complet de techniques permettant de caractériser en détail les structures atomique, électronique et magnétique des matériaux constituants. Enfin, la levée de dégénérescence des vallées, qui est un élément clé pour la valléetronique, sera sondé à la fois par des techniques optiques et électriques. Les activités expérimentales seront épaulées par un travail théorique important. Dans leur domaine de compétence, tous les partenaires du projet ont une expertise établie dans l’étude de matériaux 2D.