La possibilité de fabriquer des monocouches de dichalcogenures à métaux de transition (MoS2, WSe2,MoSe2 pour ceux étudiés dans ce manuscrit) a été démontrée récemment et a ouvert la voie à l'étude de ces matériaux sous leur forme 2D. Il apparaît depuis que les propriétés de ces semi-conducteurs sous leur forme de monocouche offrent des perspectives intéressantes à la fois du point de vue de la physique fondamentale et des potentielles applications qui peuvent en découler. En effet, l'existence d'un gap dans la structure de bandes électronique permet, entre autres, de réaliser des transistors d'épaisseur mono-atomique. Par ailleurs, ces matériaux sont à gap direct, situés dans le domaine spectral du visible et présentent un fort couplage avec la lumière (10% d'absorption par monocouche). Ils sont donc prometteurs pour des applications en optoélectronique.
De plus , ces matériaux ouvrent de nouvelles perspectives de recherche pour la physique du spin et des indices de vallée dans l'espace réciproque. Sous forme de monocouche, la symétrie d'inversion brisée, associée à un fort couplage spin-orbite provoque l'apparition de règles de sélection optique pour les transitions interbandes qui ont la particularité d'être à la fois sélectives en spin et en indice de vallée. La polarisation circulaire droite ou gauche de la lumière émise ou absorbée est directement associée à la localisation du porteur dans l'une des deux vallées non-équivalentes de l'espace réciproque (respectivement K ou K'). Cela ouvre la possibilité d'explorer une nouvelle physique, basée sur la manipulation de l'indice de vallée et intitulée en conséquence vallée-tronique.
Ce manuscrit de thèse regroupe une série d'expériences réalisées dans le but de comprendre et caractériser les propriétés optoélectroniques des monocouches de dichalcogenures à métaux de transition. Un premier chapitre introductif présente le contexte scientifique de ces travaux de recherche et démontre l'origine des propriétés électroniques et optiques de ces matériaux via un modèle théorique simple. Le second chapitre présente en détails les échantillons étudiés ainsi que le dispositif expérimental utilisé lors des mesures. Enfin les chapitres 3 à 6 détaillent les expériences menées et les résultats obtenus ; le lecteur y trouvera des mesures de photoluminescence apportant la démonstration expérimentale des règles de sélection optique, l'identification des raies spectrales d'émission des excitons neutre et chargé pour les différents types d'échantillons mentionnés plus haut ainsi que des mesures de photoluminescence résolues en temps permettant d'extraire la dynamique des porteurs photo-générés et de suivre l'évolution de leur indice de vallée. Une part importante de ce manuscrit est consacrée à l'étude expérimentale des excitons, constitués d'une paire électron-trou fortement liés par l'interaction de Coulomb, qui dominent les propriétés optiques de ces matériaux. Des études de magnéto-spectroscopie permettent finalement de sonder certains détails de la structure de bande électronique.
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The preparation of isolated atomic monolayers (MLs) of transition metal dichalcogenides (TMDCs) has been demonstrated recently and paves the way for investigating these ideal 2D materials.
Their physical properties in monolayer form are interesting both from the point of view of fundamental science and for potential applications. TMDCs monolayers are semiconductors and the presence of a band gap allows the fabrication single atomic layer transistors. The band gap is direct in momentum space in the visible range and the light-matter interaction is strong, with up to 10% absorption per ML.
In addition to optoelectronics, ML TMDCs also open new research directions for electron spin- and valley physics. The crystal inversion symmetry in ML TMDCs is broken. In addition the spin-orbit coupling is strong, which results in spin- and valley selective optical selection rules for interband transitions. The emitted or absorbed light polarization, circularly left or right, can be directly associated with carrier initialization in one of the two non-equivalent valleys K+ or K- at the K-point of the Brillouin zone. This paves the way for simple optical manipulation of the electron valley index in the emerging field of "valleytronics".
The present manuscript contains a set of experiments allowing understanding and characterizing the optoelectronic properties of these new materials. In the first chapter the scientific context is presented. The original optical and electronic properties are illustrated using a simple theoretical description. The second chapter presents details of the ML samples and the experimental setups developed during this thesis. Chapters 3 to 6 present details of the linear and non-linear optical spectroscopy experiments carried out and the results obtained. Main findings are the experimental demonstration of optical valley initialization with polarized laser excitation, the identification of neutral and charged exciton emission and time resolved photoluminescence measurements allowing monitoring the dynamics of photo-generated carriers and their valley index. An important part of this study is dedicated to the experimental investigation of excitons, Coulomb bound electron hole pairs, which dominate the optical properties of ML TMDCs. Magneto-spectroscopy is used to reveal additional details of the electronic band-structure.
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