Excitons et Phonons dans des matériaux de van der Waals comme capteurs quantiques de déformations – EXODUS

L'ingénierie des contraintes est un enjeu majeur des sciences et technologies modernes, de la biologie aux sciences des matériaux, jusqu’à l'électronique avancée, en particulier dans l’optimisation des technologies prédominantes Si-CMOS et en soutien de l'industrialisation prochaine d'une nouvelle génération de dispositifs nanostructurés flexibles et versatiles. Il devient impératif de pouvoir sonder la déformation avec une résolution spatiale allant jusqu'à quelques couches atomiques. Dans ce contexte, une nouvelle génération de dispositifs optoélectroniques fabriqués à partir de matériaux bidimensionnels émerge. Nous proposons d'utiliser les signatures optiques des excitons, les excitations quantiques élémentaires produites par des paires électron-trou liées par des forces de Coulomb, dans des matériaux de van der Waals 2D comme capteur de contrainte quantique combinant sensibilité, résolution spatiale submicrométrique latérale, intégrabilité in-situ à l’échelle de la monocouche atomique, et adressage optique, à l'aide de méthodes sans contact et peu invasives, c'est-à-dire sans nécessiter d'interconnexions électriques supplémentaires. L'exploitation de degrés de liberté quantiques des matériaux 2D(excitons et phonons) pour la détection est un défi car ces matériaux sont sensibles à une variété de facteurs extrinsèques tels que le désordre diélectrique, les gradients de déformation à l'échelle nanométrique, le dopage involontaire ou la reconstruction atomique, dont les contributions doivent être isolées. Nous étudierons de manière systématique la contribution de la contrainte dans ces signatures quantiques grâce à une méthodologie approfondie combinant une description théorique dédiée, une fabrication d'échantillons à l'état de l'art et des mesures corrélées de spectroscopie optique, d'optomécanique et de cohérence optique. Les mesures seront réalisées dans des conditions contrôlées de déformations mécaniques d'étirement et de compression.
Nous nous concentrerons sur les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) semi-conducteurs qui sont les hôtes d’une multitude d'espèces excitoniques, présentant des signatures optiques robustes jusqu'à la température ambiante. Leur énergie, leur durée de vie, leur polarisation, et leur cohérence optique sont particulièrement affectées par la contrainte et le couplage interfacial avec d'autres couches, avec des changements de l’ordre du dixième d’angströms de l'espacement entre les couches. En retour une telle sensibilité sera exploitée pour développer des capteurs qui reposent sur ces observables quantiques. Des capteurs de déformation directionnels seront conçus à partir de TMD présentant une structure fortement anisotrope dans le plan. Les excitons spatialement indirects, apparaissant dans des hétérostructures à base de couches TMD empilées et tournées à façon, qu'ils soient libres ou bien localisés dans le super-réseau de moiré, seront utilisés comme sondes ultrasensibles à l'échelle sub-nanométrique dans la direction transversale.