Transition de phase à la demande dans les alliages de tunsgstene selenium tellure – OPTI-TASTE

La synthèse des alliages WSe_2(1-x)Te_2x est réalisée par CVD (Chemical Vapor Deposition) à partir de sources Se et Te élémentaire et d’oxyde de tungstène (W) sur support de silice (SiO2/Si).

Des caractérisation optiques sont permettent de mettre en évidence la phase 1H, gap direct à l’état mono-feuillet, par photoluminescence à température ambiante.

La spectroscopie Raman permet de caractériser la signature de la phase 1T’ en plus de l’absence de signal de photoluminescence.

Ces caractérisations optiques sont complétées par de la microscopie électronique en transmission TEM, qui permet de sonder directement la structure cristalline dans l’espace réciproque (diffraction électronique SAED) et réel (imagerie STEM HAADF).

La synthèse directe de mono-feuillet WSe_2(1-x)Te_2x est possible mais l’implémentation expérimentale est difficile car les conditions de croissance appropriée sont à la limite de nos instruments.

Nous avons cependant réussi la synthèse sur l’ensemble de la gamme de composition x. La microstructure des cristaux obtenus a été quantifiée par TEM et montre l’évolution attendue entre les phase 1H (riche Se) et 1T’ (riche Te).

Nous avons pu montrer l’existence d’un grande plage de co-existence par croissance directe CVD, bien plus large que celle obtenue par exfoliation de cristaux massifs. Un manuscrit a été rédigé sur ces aspects et est actuellement en review.

Les moyens de caractérisation TEM ont été particulièrement solicité par cette étude et notre protocole a été aussi utilisé pour étudier des mono- et bi-feuillet de WSe2 dans des polytypes proche. Nous avons montrer qu’il est possible de déterminer complètement la structure cristalline de ce type d’échantillon par une combinaison de méthodes optiques (spectroscopie Raman, génération de seconde harmonique) et électroniques (diffraction électronique SAED).

La combinaison de moyens d’étude par microscopie électronique, optique et spectroscopique sur un même monocristal micrométrique, mise au point dans ce projet, permet d’étudier d’autre matériaux 2D obtenus par croissance directe CVD (WS2) ou des objets plus complexes comme des hétérostructures van der Waals obtenues par report.

Côté matériaux, la plage de co-existence étendue entre les phase 1H et 1T’ de WSe_2(1-x)Te_2x est incessante car elle relaxe la contrainte de composition d’alliage, dont le contrôle expérimentale est difficile. Cependant il faut envisager des aménagements importants de nos moyens expérimentaux pour envisager une croissance fiable des alliages WSe_2(1-x)Te_2x , x>0.1. Cet aspect sera donc la base d’un nouveau projet.

La mise en place de technique de croissance directe des chalcogénures de métaux de transition, MX2 [M=W/Mo, X=S/Se/Te], ou autres matériaux bi-dimensionnels (2D) sur des substrats conventionnels ou van der Waals est un verrou majeur pour leur utilisation dans les dispositifs. L’étude porte tout d’abord sur l’amélioration et la mise en place d’un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour la synthèse de mono-feuillets de WSe2 (structure hexagonal 1H) et WTe2 (structure monoclinique 1T'), qui ont respectivement montré des caractères de semi-conducteur à gap direct et de semi-metal à température ambiante. Le sujet principal de l'étude porte sur le contrôle par un champs électrique externe de la transitions de phase 1H-1T’ dans les alliages WSeTe à la composition critique. Du fait de son caractère réversible et faiblement énergétique, cette transition de phase entre les états isolant (semi-conducteur, 1H) et conducteur (semi-metal, 1T') permet d'envisager des applications pratiques. On propose donc de fabriquer un transistor à effet champs, ainsi basé sur un mono-feuillet 2D de WSeTe, permettant d’étudier la dynamique du système et son implémentation pratique.