L'intérêt croissant pour les nouveaux matériaux bidimensionnels lamellaires découle de la découverte du graphène. Les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) sont considérés comme des candidats de premier plan parmi ces matériaux en raison de leurs propriétés optiques et de spin uniques. Les propriétés optiques des TMD d'épaisseur atomique sont dominées par des excitons robustes. Cette thèse étudie les propriétés optiques et spin-vallée des excitons dans les monocouches de TMD. Pour y parvenir, des hétérostructures de van der Waals de haute qualité, encapsulées dans du nitrure de bore hexagonal (hBN), ont été fabriquées à l'aide de techniques d'exfoliation mécanique et de transfert déterministe. En utilisant des techniques de spectroscopie optique avancée en polarisation et en excitation continue ou en temps, nous avons exploré trois domaines fondamentaux de la dynamique des excitons : la formation des excitons, les processus de relaxation de spin-vallée de l'état fondamental et la relaxation de spin-vallée des états de Rydberg jusqu'à n=5.
Dans cette étude, en utilisant des techniques originales basées sur le contrôle des propriétés de spin-vallée, nous étudions d'abord les mécanismes fondamentaux de la formation des excitons dans les monocouches de TMD. De plus, nous avons examiné la dynamique de relaxation du spin électronique intra-vallée pour expliquer l'émission dominante d'excitons noir, interdit en spin, dans des monocouches de WSe2, ce qui révèle une relaxation rapide des excitons brillants vers les excitons noirs. Enfin, nous sondons la dynamique de spin-vallée des états excitoniques de Rydberg jusqu'à n=3. Des mesures résolues en temps indiquent que le temps de relaxation de spin augmente considérablement avec le nombre quantique principal, en accord avec un modèle basé sur un processus de relaxation de spin régi par l'interaction d'échange.
Dans l'ensemble, ce travail fournit des éclaircissements essentiels sur les interactions microscopiques qui régissent la formation des excitons et les processus de relaxation de spin-vallée dans les semi-conducteurs bidimensionnels, établissant en particulier les excitons de Rydberg hautement excités comme une voie prometteuse pour l'ingénierie d'états de spin à longue durée de vie dans les semi-conducteurs bidimensionnels. |
The great interest in novel layered two-dimensional (2D) materials originates from the breakthrough of graphene. Transition-metal dichalcogenides (TMDs) have been identified as a leading candidate among a range of 2D materials, thanks to their unique optical and spin-related properties. Optical properties of atomically thin TMDs are dominated by robust excitons. This thesis investigates the optical and spin-valley properties of excitons in monolayer TMDs. To access these properties, high-quality van der Waals heterostructures encapsulated in hBN were fabricated using mechanical exfoliation and deterministic transfer techniques. Employing advanced continuous-wave, polarization- and time-resolved spectroscopy, we explored three core domains of exciton dynamics: exciton formation, spin-valley relaxation processes of the ground state, and spin-valley relaxation of Rydberg states up to n=5.
In this study, using original techniques based on the control of spin-valley properties, we first investigate the fundamental mechanisms of exciton formation in TMD monolayers. Furthermore, we examined the intra-valley electron spin relaxation dynamics to explain the dominant emission of spin-forbidden dark excitons in pristine WSe2 monolayers, which reveals a fast bright-to-dark exciton relaxation. Finally, we probe the spin-valley dynamics of Rydberg exciton states up to n=3. Time-resolved measurements indicate that the spin relaxation time increases dramatically with the principal quantum number, in agreement with a model based on an exchange-driven spin relaxation process.
Overall, in this work we provided critical insights into the microscopic interactions governing exciton formation and spin-valley relaxation processes in two-dimensional semiconductors, establishing in particular highly excited Rydberg excitons as a promising pathway for engineering long-lived spin states in two-dimensional semiconductors. |