Le graphène comme filtre optique intégré pour des semiconducteurs bidimensionnels

Publié par Redbran le 13/05/2020 à 09:00
Source: CNRS INP
Contrôler l'émission lumineuse des semiconducteurs est un enjeu majeur pour leur intégration dans de futurs dispositifs optoélectroniques plus performants. Dans ce travail, des physiciens ont conçu de nouveaux systèmes luminescents bidimensionnels, qui, grâce à l'introduction d'une couche de graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.), émettent une raie unique et intense.


(gauche) Vue d'artiste (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l'un des métiers ou activités suivantes :) d'une hétérostructure TMD/graphene. La couche de graphène est en gris foncé. En bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en...) atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement constitué d'un...) de métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans...), et en beige, les chalcogènes. © Etienne Lorchat.
(droite) Spectres de photoluminescence d'une monocouche TMD (ici WS2) en l'absence (en haut) ou en présence (en bas) d'une monocouche de graphène (Gr). La raie de l'exciton intrinsèque X0 est indiquée. Elle constitue le seul pic observable (Dans le formalisme de la mécanique quantique, une opération de mesure (c'est-à-dire obtenir la valeur ou un intervalle de valeurs d'un paramètre physique, ou plus généralement une information sur un...) dans le cas de l'hétérostructure TMD/graphène (bas). Les mesures ont été effectuées à une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie...) de 15 K.

Les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) bidimensionnels (2D) tels que le graphène sont des matériaux en feuillet que l'on peut empiler pour obtenir, par couplage entre les différents feuillets (interactions de Van der Waals), une grande variété de propriétés nouvelles et parfois inattendues. Ils sont très étudiés car ils ouvrent de nombreuses perspectives pour la réalisation de nouveaux composants intégrés dans des dispositifs optoélectroniques. L'optoélectronique exploite à la fois des propriétés optiques et électroniques et la capacité de ces matériaux à émettre de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à...) et à conduire le courant sont des caractéristiques essentielles. Les matériaux appelés TMD1 (dichalcogénures de métaux de transition, par exemple MoS2, WSe2) comptent parmi les plus célèbres de ces matériaux 2D. Ce sont des semiconducteurs et ils sont susceptibles d'émettre un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les...) lumineux intense en interagissant fortement avec la lumière (photoluminescence). Leurs développements applicatifs se heurtent néanmoins à deux obstacles: l'émission des TMD est particulièrement complexe, constituée de plusieurs raies dues à des phénomènes physiques parfois difficiles à identifier, et de plus, il est difficile de réaliser de bons contacts électriques sur les TMD.

En couplant un feuillet de TMD à un feuillet de graphène, des physiciens de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un...) de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) et chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) des matériaux de Strasbourg (IPCMS, CNRS/Univ. Strasbourg), du Laboratoire de physique et chimie des nano-objets (LPCNO, CNRS/INSA Toulouse/Univ. Toulouse 3 Paul Sabatier), en collaboration avec des chercheurs japonais, ont démontré que le graphène agit comme un filtre (Un filtre est un système servant à séparer des éléments dans un flux.) optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) étroit et sélectif, susceptible de "nettoyer" complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à...) le spectre d'émission du TMD. Etant donné l'excellente conductivité du graphène, c'est d'une pierre deux coups et les hétérostructures TMD/graphène s'imposent alors comme des briques élémentaires qu'il sera possible d'exploiter pour réaliser des dispositifs luminescents contrôlés électriquement. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Nanotechnology.

En pratique, les physiciens ont formé différentes hétéro-structures de van der Waals à partir de cristaux massifs de TMD (MoSe2, MoS2, WSe2, WS2) et de graphite (figure), à l'aide de techniques de micromanipulation et de transfert de feuillets. Ils ont ensuite étudié l'émission de lumière par photoluminescence en excitant leurs échantillons à basse température (quelques kelvins) avec un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme...). Des excitons se forment quand un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de...) promu dans un état énergétique excité se retrouve en interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en...) coulombienne avec la lacune positivement chargée qui est alors créée. Au bout d'un certain temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), qui est la durée de vie (La vie est le nom donné :) de l'exciton, les deux charges recombinent, soit radiativement en émettant de la lumière, soit en dissipant leur énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) dans le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en...).

La situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un lieu dans un cadre...) peut être plus complexe et faire intervenir des porteurs de charges additionnels liés aux imperfections de la structure des feuillets ou à leur environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend...). Ainsi, plusieurs types d'excitons peuvent coexister, avec des durées de vie radiative allant de deux à plusieurs centaines de picosecondes, la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) associée à leur formation et à leur recombinaison étant très complexe. La complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en biologie (par exemple par Henri Atlan), en...) de l'émission des TMD vient de l'existence de ces différents types d'excitons. En présence de graphène, on assiste à deux effets importants: d'une part les porteurs de charges additionnels sont neutralisés et l'émission de lumière due à la recombinaison des excitons correspondants disparait. D'autre part, la dissipation d'énergie dans le matériau est accélérée pour les excitons de longue durée de vie radiative par l'interaction avec le graphène. Au final, le graphène agit comme s'il filtrait toutes les émissions provenant des excitons du TMD sauf une seule raie, celle qui correspond à la plus courte durée de vie de 2 picosecondes (figure).

Cet exciton est intrinsèque au matériau et c'est là qu'intervient la spécificité des TMD qui fait le succès du filtrage: la durée de vie radiative de leurs excitons intrinsèques est exceptionnellement courte par rapport à celle des autres excitons mais aussi en comparaison avec d'autres semi-conducteurs plus conventionnels. À température ambiante, l'effet de filtrage du graphène est remarquablement persistant, et, même si l'intensité de photoluminescence est moindre. Ces travaux, en associant des qualités du graphène à celles des TMD, sont très encourageants pour les applications des nouveaux matériaux 2D à l'optoélectronique et aux nouvelles technologies.

Notes:
1 Transition metal dichalcogenides


Référence:
Filtering the photoluminescence spectra of atomically thin semiconductors with graphene. E. Lorchat, L. E. Parra López, C. Robert, D. Lagarde, G. Froehlicher, T. Taniguchi, K. Watanabe, X. Marie et S. Berciaud, Nature Nanotechnology, paru le 9 mars 2020.
DOI: 10.1038/s41565-020-0644-2
Article disponible sur la base d'archives ouvertes arXiv.

Contacts:
- Stéphane Berciaud - Professeur à l'université de Strasbourg (L’université de Strasbourg (UDS) est une université française située à Strasbourg en Alsace. Son origine remonte à la création du gymnase Jean-Sturm en 1538, devenu université royale en 1621. Elle a...), Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg - stephane.berciaud at ipcms.unistra.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications,...) INP - inp.com at cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).).fr
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