Les composés stratifiés dits «dichalcogénures» impliquant des métaux de transition du groupe VI et des chalcogénes sont des candidats prometteurs pour l'étude des propriétés él ectroniques de structures atomiquement minces. Tandis que les monocristaux massifs sont des semi-conducteurs à gap indirect dans la plage spectrale du proche infrarouge, la monocouche possède un gap direct dans le domaine du visible. Dans cette dernière, la brisure de symétrie d'inversion et la présence d'un fort couplage spin-orbite mènent à différents règles de sélection optique pour chaque vallée du semi-conducteur. Ainsi, dans chaque vallée, la population de porteurs de charge peut être modulée par la polarisation circulaire de la lumière, faisant des monocouches de dichalcogénures des candidats potentiels pour l'électronique de vallée. Cependant, avant toute application, la compréhension de leurs propriétés électroniques est cruciale.
Dans cette thèse, nous avons étudié les propriétés électroniques de dichalcogénures de tungstène (WS2 et WSe2) par micro-photoluminescence (µ-PL), spectroscopie Raman, absorption optique inter bande et µ-PL résolue en temps dans le domaine spectral visible combinés avec des champs magnétiques intenses.
Nous montrons que l'émission de l'exciton par rapport au trion dans les monocouches de WS2 et WSe2 est fonction de la puissance du laser utilisé pour l'excitation de la µ-PL. De plus, nous montrons que l'intensité de l'émission du trion peut être contrôlée indépendamment en utilisant une énergie d'excitation plus bas que la bande interdite. Il s'agit d'une preuve de du contrôle de la densité de porteurs dans ces systèmes 2D.
Nous avons également étudié la diffusion Raman en résonance dans une monocouche de WS2. Nous observons un mode acoustique longitudinale du second ordre (2LA), seulement 4cm-1 au-dessous du mode E1,2g de premier ordre. Nous montrons qu'en fonction du rapport de l'intensité et la largeur de ligne de ces deux pics, que toute analyse qui néglige la présence de la mode 2LA peut conduire à une estimation incorrecte du nombre de couche.
Les propriétés électroniques de chaque vallée d'une monocouche de WSe2 ont été sondées par µ-PL via l'étude de l'émission et de la polarisation des excitons neutres et chargées. Nous montrons que le temps de diffusion de l'exciton entre les vallées de K + et K- est de l'ordre de plusieurs picosecondes. Enfin, grâce à la magnéto-spectroscopie, nous mettons en évidence différents types de porteurs de charges entre la monocouche et le cristal massif de dichalcogénures. Nous montrons que dans monocouche de WSe2, les porteurs de charge se comportent comme des fermions massifs Dirac, tandis que dans le monocristal de WSe2 nous observons un comportement excitonique, décrit par le modèle de l'atome d'hydrogène. |
Layered compounds involving transition metals from group VI and chalcogens (the so-called dichalcogenides) are promising candidates for exploring atomically thin structures. Bulk crystals are semiconductors with an indirect gap in the near infrared spectral range. In contrast, monolayer dichalcogenides are 2D semiconductors with a direct gap in the visible spectral range. Moreover, the inversion symmetry breaking together with strong spin-orbit coupling in monolayer dichalcogenides leads to valley contrasted optical selection rules. As a consequence, the population of each valley can be controlled by the circular polarization of light. Therefore, monolayer dichalcogenides have been proposed as a building block for valleytronics. However, for applications an understanding of the electronic properties is crucial.
In this thesis, we have studied tungsten dichalcogenides (WS2 and WSe2) by means of steady-state micro-photoluminescence (µ-PL) and Raman spectroscopy, optical interband absorption and time-resolved µ-PL techniques in the visible spectral range combined with high magnetic fi elds.
We demonstrate that the ratio between the trion and exciton emission can be tuned by varying the power of the laser used for excitation of the PL in ungated monolayer WS2 and WSe2 samples. Moreover, the intensity of the trion emission can be independently tuned using additional sub band gap illumination. This is a direct evidence that we can control the density of carriers in a 2D system.
We have investigated the resonant Raman scattering in a WS2 monolayer. We observe a second order longitudinal acoustic mode (2LA) at only 4cm-1 below the first order E12g mode. We demonstrate, that depending on the intensity ratio and the respective line widths of these two peaks, any analysis which neglects the presence of the 2LA mode can lead to a potentially incorrect assignment for the number of layers.
The valley dynamics in monolayer WSe2 has been probed by monitoring the emission and polarization dynamics of neutral and charged excitons in PL. We demonstrate that the exciton inter valley scattering between the K+ and K- valleys is in the order of several picoseconds.
Finally, using magneto-spectroscopy studies, we reveal the very dierent nature of carriers in monolayer and bulk dichalcogenides. We demonstrate that in monolayer WSe2, the carriers behave as massive Dirac fermions, while in bulk WSe2 we observe a distinctly excitonic behavior which is best described within the hydrogen model. |