À mesure que les technologies quantiques suscitent un intérêt croissant, tant dans le monde scientifique que dans les perspectives d’applications concrètes, la recherche sur les capteurs quantiques a connu un essor considérable ces dernières années. Au-delà de l’aspect fondamental, la dimension matériaux joue un rôle crucial dans cette évolution. Parmi les matériaux envisagés pour leur intégration dans des structures complexes, les matériaux bidimensionnels (2D) se révèlent particulièrement prometteurs en raison de leur compatibilité avec des structures ultrafines et flexibles.
Parmi eux, le nitrure de bore hexagonal (hBN) présente des propriétés intéressantes. Cette thèse explore l’utilisation du hBN non seulement comme matériau de protection, capable d’exalter les propriétés des matériaux adjacents au sein d’hétérostructures de van der Waals complexes, mais également comme matériau fonctionnel à part entière. Deux axes principaux de recherche sont développés : l’intégration de centres colorés dont l'état de spin peut être lu optiquement, et l’ingénierie de l’empilement des couches de hBN en vue de l’émergence de phases ferroélectriques.
Les résultats présentés s’appuient sur une démarche complète, allant de la fabrication d’échantillons et d’hétérostructures à la caractérisation de leurs propriétés par diverses techniques de spectroscopie optique, telles que la photoluminescence (continue et résolue en temps) et la détection optique de résonance magnétique.
Une grande partie de ce travail est consacrée à l’étude de la lacune de bore (centre VB), depuis ses propriétés photo-physiques jusqu’à son applicabilité en tant que capteur quantique. L’analyse de l’état de charge du défaut a révélé que l’état préférentiellement stable est l'état négativement chargé (VB-), et que cet état peut être modulé électriquement, avec la possibilité de transition vers l’état VB2- dans une structure contactée. Par ailleurs, en étudiant les transferts d’énergie non radiatifs de type Förster (FRET), nous avons pu estimer expérimentalement le taux de recombinaison radiative du centre VB- autour de 10⁵ s⁻¹. Ce faible taux rend le mécanisme de FRET négligeable pour des flocons de plus de 5 nm, ouvrant la voie à des utilisations du centre VB- comme capteur en proximité immédiate avec des surfaces métalliques et/ou des semiconducteurs a faible gap.
Enfin, la dernière partie de cette thèse se concentre sur une autre forme de fonctionnalisation du hBN via l’ingénierie de son empilement. Lorsque deux couches successives sont empilées parallèlement, la brisure de symétrie d'inversion du cristal engendre l’émergence de phases ferroélectriques. Grâce à une méthode simple de repliement de flocons, nous avons pu générer des domaines ferroélectriques de polarisation hors du plan. Ces domaines sont capables d’induire un dopage électronique dans un semi-conducteur adjacent, détectable par imagerie optique via la signature excitonique du semi-conducteur. Cette méthode a également permis de visualiser et quantifier le déplacement des domaines sous l’effet d’un champ électrique.
Les résultats de cette thèse mettent en lumière le potentiel du hBN fonctionnalisé et ouvrent des perspectives nouvelles quant à son utilisation au sein d’hétérostructures complexes pour des applications en optoélectroniques et en tant que capteurs quantiques. |
As quantum technologies attract growing interest, both in the scientific community and in view of future applications, research into quantum sensors has experienced significant growth in recent years. Beyond the fundamental aspects, materials science plays a central role in this evolution. Among the candidate materials for integration into complex architectures, two-dimensional (2D) materials appear particularly promising due to their compatibility with ultrathin and flexible structures.
One such material, hexagonal boron nitride (hBN), exhibits several advantageous properties. This thesis investigates the use of hBN not only as a protective layer that can enhance the properties of neighboring materials within complex van der Waals heterostructures, but also as a functional material in its own right. Two main research directions are explored: the integration of spin-active color centers, and the engineering of hBN layer stacking to induce ferroelectric phases.
The results presented are based on a comprehensive approach, ranging from the fabrication of samples and heterostructures to the characterization of their properties using various optical spectroscopy techniques, such as continuous-wave and time-resolved photoluminescence, as well as optically detected magnetic resonance.
A significant portion of this work is dedicated to the study of the boron vacancy center (VB), from its photophysical properties to its potential as a quantum sensor. Charge state analysis revealed that the negatively charged state (VB-) is the most stable and optically active configuration, and that it can be electrically tuned, allowing transition to the VB2- state under applied bias voltage. Furthermore, through the study of non-radiative Förster-type energy transfer (FRET), we experimentally estimated the radiative recombination rate of the VB- center to be on the order of 10⁵ s⁻¹. This low rate makes FRET mechanism negligible for flakes larger than 5 nm, enabling the use of VB- as a near-field sensor in proximity to metallic surfaces and/or narrow-gap semiconductors.
The final part of the thesis focuses on another type of hBN functionalization via stacking engineering. When two hBN layers are stacked in parallel, the resulting breaking in crystal centro-symmetry leads to the emergence of ferroelectric phases. Using a simple folding method, we generated out-of-plane polarized ferroelectric domains. These domains are capable of inducing electronic doping in an adjacent semiconductor, which can be optically imaged through its excitonic signature. This method also enabled the visualization and quantification of domain motion under the application of an electric field.
The results of this thesis highlight the potential of functionalized hBN and open new perspectives for its integration into complex heterostructures for quantum sensing and optoelectronic applications. |