Des scientifiques du Laboratoire de recherche naval des États-Unis (NRL), Division de la science et de la technologie des matériaux, ont démontré que l'intensité et la composition spectrale de la photoluminescence émise par une monocouche unique de bisulfure de tungstène (WS2) peuvent être contrôlées spatialement par les domaines de polarisation dans un film adjacent du matériau ferroélectrique plomb titanate de zirconium (PZT).

Ces domaines sont écrits dans le PZT à l'aide d'un microscope à force atomique conducteur, et la photoluminescence (PL) est mesurée dans l'air à température ambiante. Parce que la largeur de paroi du domaine de polarisation dans un ferroélectrique peut être aussi faible que 1-10 nm, cette approche permet la modulation spatiale de l'intensité PL et les populations de porteurs correspondantes avec un potentiel de résolution à l'échelle nanométrique.

Les dichalcogénures de métaux de transition monocouche (TMD) tels que le WS2 présentent des propriétés optiques remarquables en raison de leur bande interdite directe. Le blindage diélectrique est très faible du fait de leur caractère bidimensionnel (2D), et ainsi leurs propriétés sont fortement affectées par leur environnement immédiat, et peuvent être modifiés et contrôlés par des variations de densité de charge locale dues aux adsorbats ou au déclenchement électrostatique. Cela a suscité un vif intérêt pour une grande variété d'applications de dispositifs électroniques et optiques.

Le scientifique du LNR a utilisé un microscope à force atomique conducteur pour écrire des domaines de polarisation dans un film PZT en damier. Dans chaque domaine, le dipôle de polarisation pointe soit vers le haut hors du plan de surface, soit vers le bas dans le plan de surface, et produit une charge positive ou négative sur la surface PZT, respectivement. L'équipe a ensuite transféré la monocouche WS2 qu'elle avait développée par des techniques de dépôt chimique en phase vapeur sur le film PZT.

Ils ont constaté que l'intensité PL du WS2 n'est élevée que dans les zones sur les domaines du PZT où le dipôle de polarisation pointe hors du plan de surface, comme le montre la figure ci-contre. Une analyse plus approfondie a révélé que la composition spectrale du PL était également fortement affectée - les spectres des domaines "haut" étaient dominés par des contributions d'excitons neutres (un état lié d'un électron et d'un trou résultant de l'interaction de Coulomb), tandis que ceux des domaines "bas" étaient dominés par des excitons chargés négativement, ou trion, contributions (un exciton avec un électron supplémentaire).

"La fabrication de ces hétérostructures ferroélectriques hybrides 2D/3-D permet de concevoir et de moduler à dessein des populations adjacentes de trions et d'excitons neutres, créant des domaines latéraux dans n'importe quelle géométrie de choix" note le Dr Berend Jonker, scientifique principal et chercheur principal. Dr Connie Li, auteur principal de l'étude, précise en outre :« Parce que les domaines FE peuvent être réécrits avec un microscope à force atomique et sont non volatils, cela permet une modulation spatiale des propriétés TMD avec une résolution à l'échelle nanométrique."

Le gain comprend le développement de matériaux TMD et d'hétérostructures hybrides 2D/3-D avec de nouvelles fonctionnalités pertinentes pour la mission du DoD, y compris l'électronique ultra-basse consommation, mémoire optique non volatile et calcul quantique pour les futures applications du DoD dans le traitement et la détection de l'information.