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Posté par Redbran le Vendredi 07/08/2015 à 00:00
Des propriétés optiques non-linéaires géantes
Des propriétés optiques non-linéaires géantes grâce aux excitons d'une monocouche de séléniure de tungstène

Le phénomène de doublage de fréquence est 1000 fois plus intense aux transitions excitoniques dans une monocouche de WSe2.


Les propriétés optiques des monocouches dichalcogénures de métaux de transition sont dominées par des excitons (paires électron-trou) fortement liés. La cellule conventionnelle du WSe2 montre l'absence de centre d'inversion dans le cristal. Cette caractéristique est à l'origine du phénomène de doublage (Le doublage est une technique consistant à substituer aux voix des comédiens d'une œuvre audiovisuelle (film, feuilleton...), les voix de comédiens s'exprimant dans une autre langue,...) de fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on...).
© LPCNO 2015
Les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) constitués d'une monocouche atomique présentent des propriétés physiques uniques dues à leur caractère bidimensionnel. Les monocouches de dichalcogénures de métaux de transition sont des semi-conducteurs, associant, soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de numéro atomique 16.), sélénium ou tellure à des métaux tels que le molybdène ou le tungstène (Le tungstène est un élément chimique du tableau périodique de symbole W (de l'allemand Wolfram) et de numéro atomique 74.), présentent notamment une très forte 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...) avec 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 780nm...) à cause de la présence d'excitons fortement liés. Deux de ces composés, WSe2 et MoS2 ont d'excellentes qualités optiques: une simple monocouche absorbe ainsi près de 10% de la lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.), ce qui en fait de bons candidats pour des applications en optoélectronique. C'est dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de contexte issu traditionnellement de l'analyse...) que des chercheurs Laboratoire de Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un...) 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...) des Nano-objets - LPCNO (CNRS-INSA-UPS Toulouse) ont mis en évidence l'exaltation du phénomène de doublage de fréquence optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) dans une monocouche de séléniure de tungstène WSe2 lorsque l'excitation laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light...) est accordée avec les résonances excitoniques. Ce travail est publié dans la revue Physical Review Letters.

Les monocouches de dichalcogenure de métaux de transition se distinguent du graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.) par leur absence de symétrie d'inversion du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets »,...) cristallin. Pour cette raison, ces matériaux présentent une non-linéarité optique du second ordre susceptible de produire du doublage de fréquence en permettant que l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le photon est...) simultanée de deux photons soit suivie de la rémission d'un seul photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit...) dont l'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.) est la somme des énergies des deux photons absorbés.

En outre, dans ces matériaux l'absorption d'énergie lumineuse se traduit par la création d'excitons, des paires électron-trou fortement liées. En focalisant un laser dont la fréquence est la moitié de celles des transitions excitoniques sur une monocouche de WSe2 ils ont mesuré 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 hommes pour...) doublé en fréquence 1000 fois plus intense que lorsque que le laser excite l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) à une fréquence quelconque, montrant ainsi pour la première fois expérimentalement le lien entre le doublage de fréquence et les transitions excitoniques dans les monocouches de dichalcogénures de métaux de transition. Les chercheurs ont ainsi pu mesuré et calculé une énergie de liaison géante (Une étoile géante est une étoile de classe de luminosité II ou III. Dans le diagramme de Hertzsprung-Russell, les géantes forment deux branches au-dessus de la séquence principale. Elles se...) de 0.6 eV dans WSe2. Ces expériences ont également permis de mettre en évidence des propriétés inédites liées à la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est le fait...) de vallée (Une vallée est une dépression géographique généralement de forme allongée et façonnée dans le relief par un cours d'eau (vallée fluviale) ou un glacier (vallée glaciaire). Un espace en forme de...) des excitons dans ces matériaux.

Pour plus d'information voir: Giant Enhancement of the Optical Second-Harmonic Emission of WSe2 Monolayers by Laser Excitation at Exciton Resonances
G. Wang, X. Marie, I. Gerber, T. Amand, D. Lagarde, L. Bouet, M. Vidal, A. Balocchi et B. Urbaszek, Physical Review Letters (2015)

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Source et illustration: CNRS