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Cathodoluminescence résolue en spin dans des matériaux 2D et des héterostructures de van der Waals – SpinCat

SpinCAT - Dynamique du couplage spin-vallée par cathodoluminescence polarisée en spin dans des matériaux 2D et des héterostructures de van der Waals.

Le développement de dispositifs à affaire à la réduction des matériaux jusqu'à l'échelle nanométrique et à l'incorporation des composés 2D ayant des nouveaux degrés de liberté. Par exemple, les semi-conducteurs 2D tels que le MoS2 présentent un couplage inédit entre les degrés de liberté de spin et de vallée. Je propose ici la construction d'un dispositif expérimental original permettant d'explorer la dynamique de spin et de vallée d'une grande variété de matériaux

Enjeux et objectif

Le projet SpinCAT repose sur l’étude de matériaux bidimensionnels tels que les dichalcogénures de métaux de transition ainsi que leurs hétérostructures grâce au développement d’une technique de cathodo-luminescence polarisée en spin couplée avec des mesures de luminescence tunnel. Ce dispositif expérimental original devrait permettre d’explorer la dynamique de spin et de vallée d’une grande variété de matériaux et de contribuer à une meilleure compréhension des propriétés des nouveaux semi-conducteurs 2D.

Des premières expériences de micro-photoluminescence polarisée ont été effectués en mai 2020 sur des échantillons de WS2 préparés au PMC. Cette étape permet, d’une part, de valider la qualité optique des échantillons, et d’autre part d’explorer les propriétés de dynamique de spin et vallée des différents complexes excitoniques dans ces matériaux. Des résultats prometteurs ont été obtenues par Sangjun Park, actuellement complémentés par des mesures résolues en temps en collaboration avec l’équipe Optoélectronique quantique du LPCNO (Toulouse) et l’ensemble de ces résultats sera publié avant la fin de l’année.

Fabrication des échantillons : Le projet SpinCAT prévoyait, dans un premier temps, la mise en place au laboratoire PMC d’un microscope dédié à la fabrication des matériaux bi-dimensionnels basé sur une technique d’exfoliation mécanique. Ce microscope a été installée avec succès en 2019 et nous permet aujourd’hui d’accéder à des échantillons de mono-feuillets de MX2 (M=Mo,W ; X=S,Se, Te) d’excellente qualité, comme attestent les spectres de photo-luminescence à basse température mesurés parle doctorant financé par ce projet (voir Figure 1). On a mis également en place une enceinte sous vide permettant de faire un recuit de nos échantillons à 150 degrés Celsius, améliorant ainsi l’homogénéité de ces derniers. Le montage de préparation des échantillons continue à évoluer, avec l’achat en Juillet 2020 d’une boîte à gants à l’intérieur duquel le microscope sera installé sous une atmosphère contrôlée et libre d’humidité, ce qui nous permettra d’améliorer encore la qualité des échantillons, point crucial pour la bonne réussite de ce projet. La boîte à gants sera livrée avant Novembre 2020.

Caractérisation des monocouches de WS2 par micro-photoluminescence polarisée


Les échantillons préparés sont de bonne qualité et comparables aux meilleurs échantillons publiés dans la littérature. Ceci est un élément prometteur pour la réussite du projet.

Prévision des travaux pour la prochaine période :
L’étape suivante consiste à étudier la cathodoluminescence des matériaux 2D, d’abord par injection tunnel, puis par l’utilisation d’une source à électrons polarisés. Des premiers échantillons ont déjà été fabriqués, il s’agit des monocouches de WSe2 dans du ITO, substrat transparent et conducteur adapté à ce type d’expériences. Actuellement l’équipe EPS est en étape de validation des plans mécaniques pour l’achat d’une chambre de préparation qui permettra de fabriquer des pointes magnétiques pour l’injection tunnel d’électrons polarisées de spin. La détection de la cathodoluminescence résolue en spin est donc le but final de ce projet.

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Le développement de dispositifs à affaire à la réduction des matériaux jusqu'à l'échelle nanométrique et à l'incorporation des
composés 2D ayant des nouveaux degrés de liberté. Par exemple, les semi-conducteurs 2D tels que les mono-couches de MoS2
présentent une texture en spin de leur structure électronique dû à un couplage inédit entre les degrés de liberté de spin et de vallée.
Je propose ici la construction d'un dispositif expérimental original permettant d'explorer la dynamique de spin et de vallée d'une
grande variété de matériaux, comme par exemple les semi-conducteurs 2D et leurs heterostructures très prometteuses pour des
applications futures. Ce projet repose sur le développement d'une technique de cathodoluminescence polarisée en spin à l'état de
l'art (SpinCL), couplée avec des mesures de luminescence tunnel (STL). Ce projet bénéficiera des progrès récents dans la fabrication des échantillons et d'un environnement scientifique très riche qui favorise l'interaction avec des théoriciens experts en physique de la matière condensée.

Coordinateur du projet

Monsieur Fabian Cadiz (Laboratoire de physique de la matière condensée)

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

LPMC Laboratoire de physique de la matière condensée

Aide de l'ANR 271 028 euros
Début et durée du projet scientifique : - 48 Mois

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