Transfert d'énergie et de charges à l'interface de deux cristaux bidimensionnels
Publié par Redbran le 16/04/2018 à 00:00
Source: CNRS-INP
Des physiciens ont décrit les transferts d'électrons et d'excitons à l'interface entre un semi-conducteur bidimensionnel et d'une couche de graphène. La compréhension de ces processus est indispensable à la mise au point de nouveaux dispositifs optoélectroniques et optospintroniques.


(a) Illustration schématique du transfert d'énergie ou de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non...) d'une monocouche de Informations complémentaires dichalcogénure 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 le cas des...) de transition (e.g., MoSe2, donneur, en jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même couleur :) et bleu) vers une monocouche de graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.) (accepteur, en gris). (b) Image optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) d'une hétérostructure graphène (Gr)/MoSe2. La zone couplée est matérialisée par le contour pointillé blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre lumineux continu, d'où l'image que l'on en donne...). (c) Carte d'intensité de photoluminescence du MoSe2 mesurée sur cet 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 :). La photoluminescence est fortement inhibée sur la zone couplée. (d) Carte de la 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 emploie le mot fréquence sans...) du mode Raman G du graphène. L'augmentation de la fréquence sur la zone couplée est la signature d'un transfert de charge.

Les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) bidimensionnels sont des solides ordonnés dont l'épaisseur n'est que de quelques 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...). On trouve le graphène (semi-métal), les dichalcogénures de métaux de transition (dits "TMD", semi-conducteurs), et le nitrure de bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.) (isolant). Ils constituent une véritable boîte à outils pour l'étude de phénomènes physiques en dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou...) réduites, et pour le développement de nanodispositifs optoélectroniques innovants où, par exemple, les propriétés optiques exceptionnelles des TMD (forte 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...) optique, émission intense) se mêlent à l'excellente mobilité électronique du graphène. Afin de comprendre et d'optimiser le fonctionnement de ces dispositifs, il est indispensable d'étudier ce qui se passe précisément à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner...) TMD-graphène, où se produisent des transferts de charges et d'énergie.

Pour cela, 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...) 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 connaissance de 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) ont étudié des "hétérostructures de van der Waals" composées d'une monocouche de graphène déposée sur une monocouche de diséléniure de molybdène (MoSe2). Ils ont notamment mis en évidence le rôle clé du transfert direct d'excitons (transfert d'énergie sans rayonnement) du TMD vers le graphène, alors que ce processus avait été largement négligé jusqu'alors. Ces résultats sont publiés dans la revue Physical Review X.

En pratique, l'échantillon a été soumis à des mesures de micro-photoluminescence. Elles ont révélé que l'émission de 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 (rouge). La lumière est intimement liée...) issue du MoSe2 est fortement inhibée (à plus de 99 %) en présence du graphène. Cela peut s'expliquer de deux manières: un transfert de charges (électron ou trou) induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force (moteur).) par les photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules...), ou bien un transfert sans rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) de l'énergie d'une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) électron-trou liée (un exciton) vers le graphène.

Pour évaluer les efficacités relatives de chacun des transferts, les physiciens ont effectué des mesures complémentaires de spectroscopie micro-raman. En effet, la fréquence et la largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En géométrie plane, la largeur est la plus petite des deux mesures d'un...) des modes de vibration Raman pour les matériaux 2D sont particulièrement sensibles à la densité de charge (La densité de charge électrique correspond au rapport de la charge sur le volume. Elle peut être exprimée en coulomb par mètre cube (C/m3).) surfacique. Si les chercheurs ont pu démontrer sans ambiguïté la possibilité d'un transfert net d'électrons vers le graphène en présence de lumière, ils ont aussi constaté que l'émission de lumière, et donc la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) des états photoexcités du MoSe2, était indépendante de l'existence de ce transfert de charges. Ce résultat important démontre que le transfert d'excitons constitue le mode de désexcitation le plus rapide (avec un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) caractéristique d'environ une picoseconde) du MoSe2 couplé au graphène.

Ce travail a des conséquences importantes. D'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) fondamental, les hétérostructures de van der Waals s'imposent comme des systèmes modèles "donneur-accepteur" pour l'étude du transfert de charges et d'énergie à deux dimensions. Coté applications, la plateforme "graphène-semiconducteur 2D" est omniprésente au sein de nouveaux dispositifs optoélectroniques, voire optospintroniques (une excitation optique du semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse...) est convertie en un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces déplacements sont imposés par l'action...) (éventuellement polarisé en spin) transporté dans la couche graphène). La plupart exploitent le transfert de charges photoinduit du semiconducteur 2D vers le graphène. Il faudra désormais compter avec le transfert d'énergie et concevoir des solutions efficaces pour séparer les paires électrontrou transférées vers le graphène, avant que les porteurs de charges ne dissipent rapidement leur énergie sous la forme de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !).

Référence publication:
Charge versus energy transfer in atomically-thin graphene-transition metal dichalcogenide van der Waals heterostructures
G. Froehlicher, E. Lorchat et S. Berciaud
Physical review X (2018), doi 10.1103/PhysRevX.8.011007
Retrouvez l'article sur la base d'archives ouvertes arXiv

Contact chercheur:
- 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...)

Informations complémentaires:
- Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg (IPCMS, CNRS/Université de Strasbourg)
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