Les matériaux bidimensionnels ont suscité l’intérêt scientifique ces dernières années, révélant des propriétés électriques et optiques exceptionnelles. Dans les matériaux bidimensionnels tels que les dichalcogénures de métaux de transition, les propriétés optiques sont régies par les excitons, des paires électron-trou liées par une interaction coulombienne. La nature en couches des cristaux de van der Waals permet l'isolation mécanique de couches uniques et permet l'assemblage vertical de couches de différents matériaux en hétérostructures de van der Waals. L'absence de contraintes d'appariement de réseau inhérente à la nature de van der Waals de ces cristaux offre une plateforme pour l'ingénierie de matériaux aux propriétés améliorées et novatrices. Cette thèse étudie les propriétés optiques des hétérostructures MoSe2/MoS2. Nous démontrons que les propriétés électroniques de cette hétérostructure sont influencées par l'hybridation inter-couche, le couplage exciton-phonon et la présence de super-réseaux moirés.
Dans un premier temps, cette thèse fournit une vue d'ensemble des propriétés des monocouches de dichalcogénures de métaux de transition et de leurs hétérostructures, en mettant l'accent sur leurs propriétés excitoniques. Ceci est suivi par une description des méthodes expérimentales, comprenant la fabrication des hétérostructures et les techniques spectroscopiques employées pour étudier leurs propriétés optiques.
Le chapitre 3 présente l’influence de l'angle de torsion inter-couche sur l'exciton hybride Γ-K à impulsion indirect dans les hétérostructures MoSe2/MoS2. L’augmentation de l’angle de torsion inter-couche entraîne un fort décalage vers une plus haute énergie de l'exciton hybride observé en photoluminescence, interprété comme une manifestation de la déshybridation de cet état. De plus, dans les échantillons à faibles angles de torsion, un spectre à deux pics émerge, chacun avec des coefficients de puissance différents : sublinéaire et superlinéaire pour les pics de basse et haute énergie respectivement. Ces pics sont attribués à des transitions excitoniques provenant de différents minibandes moirés. Cela démontre le rôle crucial de l'angle de torsion inter-couche dans le contrôle du degré d'hybridation, ce qui permet d'ajuster l'énergie et le caractère de l'exciton hybride pour qu'il soit plus intra- ou inter-couche.
Le chapitre 4 discute l'émergence de multiples pics de photoluminescence provenant des excitons hybrides. La forme complexe de la ligne de photoluminescence est attribuée à des contributions de transitions assistées par phonons acoustiques et optiques. De plus, la large bande d'émission latérale, avec une séparation spectrale presque égale des pics, suggère la présence de répliques de phonons, énergétiquement compatible au mode Raman A1 de MoSe2. En outre, avec l'augmentation de la température, un pic de plus haute énergie émerge, indiquant une transition de l'état localisé moiré à l'état délocalisé. Cette transition peut également être induite en modulant la puissance d'excitation grâce aux interactions dipolaires entre les excitons. Les mesures de magnétophotoluminescence révèlent des facteurs g identiques pour les pics au sein de chaque échantillon, ce qui soutient l'attribution des pics décrite ci-dessus. Enfin, nous avons observé une forte différence entre les facteurs g de l'exciton hybride dans l'hétérostructure avec un angle proche de 0° (empilement de type R) ou proche de 60° (empilement de type H). Ce résultat souligne l'impact de l'empilement sur le moment magnétique des états excitoniques impliqués dans les transitions et fournit un aperçu des règles de sélection optiques. |
Atomically thin materials have attracted scientific interest in recent years, revealing exceptional electrical and optical properties. In two-dimensional materials such as transition metal dichalcogenides, the optical properties are governed by excitons, Coulomb bound electron-hole pairs. The layered nature of van der Waals crystals enables the mechanical isolation of single layers and allows the vertical assembly of layers of different materials into van der Waals heterostructures. The absence of lattice matching constraints inherent to the van der Waals nature of these crystals provides a platform for engineering materials with enhanced and novel properties. This thesis investigates the optical properties of MoSe2/MoS2 heterostructures. We demonstrate that the electronic properties of this heterostructure are influenced by a combination of interlayer hybridization, exciton-phonon coupling, and the presence of moiré superlattices.
Initially, this thesis provides an overview of the properties of monolayers of transition metal dichalcogenides and their heterostructures, with a specific focus on their excitonic properties. This is followed by a description of the experimental methods, including the fabrication of heterostructures and the spectroscopic techniques employed to investigate their optical properties.
Chapter 3 presents the impact of the interlayer twist angle on the momentum-indirect Γ-K hybrid exciton in the MoSe2/MoS2 heterostructures. An increasing interlayer twist angle results in a strong blue shift of the hybrid exciton observed in photoluminescence, which is interpreted as a manifestation of the dehybridization of this state. Moreover, in samples with small twist angles, a two-peak structure emerges, each with different power coefficients: sublinear and superlinear for the lower- and higher-energy peaks, respectively. These peaks are attributed to excitonic transitions from different moiré minibands. This demonstrates the critical role of the interlayer twist angle in controlling the degree of hybridization, which allows to tune of the energy and the character of the hybrid exciton to be more intra- or interlayer-like.
Chapter 4 discusses the emergence of multiple photoluminescence peaks from hybrid excitons. The complex line shape of the photoluminescence is explained by attributing to contributions from acoustic and optical phonon-assisted transitions. Additionally, the broad emission sideband, with an nearly equal spectral separation of the peaks, suggests the presence of phonon replicas, energetically matching the A1 Raman mode of MoSe2. Additionally, with increasing temperature, a higher-energy peak emerges, indicating a transition from the moiré localized to the delocalized state. This transition can also be induced by modulating the excitation power as a result of dipolar interactions among excitons. Magneto-photoluminescence measurements reveal an identical g-factors for peaks within each sample, which supports the peak attribution described above. Finally, we observed a strong difference between the g-factors of the hybrid exciton in heterostructure with a nearly 0° stacking angle (R-type stacking) or nearly 60° stacking angle (H-type stacking). This result emphasizes the impact of the stacking on the magnetic moment of the excitonic states involved in the transitions and provides an insight into the optical selection rules. |