Les semi-conducteurs au dichalcogénure de métaux de transition (TMD) sont des matériaux spéciaux qui fascinent depuis longtemps les chercheurs par leurs propriétés uniques. D’une part, il s’agit de matériaux bidimensionnels (2D) plats, d’une épaisseur d’un atome, similaires à celui du graphène. Ce sont des composés qui contiennent différentes combinaisons du groupe des métaux de transition (par exemple, le molybdène, le tungstène) et des éléments chalcogènes (par exemple, le soufre, le sélénium, le tellure).

Ce qui est encore plus fascinant, c'est que l'assemblage de différentes couches de TMD en empilements verticaux crée un nouveau matériau artificiel appelé hétérostructure de van der Waals (vdW). En incorporant différents matériaux, il devient possible de combiner les propriétés de couches individuelles, produisant ainsi de nouveaux dispositifs optoélectroniques aux propriétés sur mesure. Cela ouvre la porte à l'exploration de la physique fondamentale, telle que les excitons intercouches, la twistronique, et bien plus encore.

Cependant, jusqu’à présent, aucun scientifique n’a étudié si le changement de l’ordre d’empilement affectait les propriétés spectroscopiques de ces hétérostructures. Pendant longtemps, le manque de compréhension des hétérostructures des TMD a conduit à une hypothèse discutable selon laquelle la modification de l’ordre d’empilement des couches n’affecte pas leurs propriétés. L'étude est publiée dans la revue Nature Communications .

Cela a été récemment démystifié par une équipe de chercheurs du Centre de physique intégrée des nanostructures (CINAP), de l'Institut des sciences fondamentales (IBS) en Corée du Sud. Dirigé par le professeur LEE Young Hee, le groupe a découvert que l'ordre séquentiel des couches dans les hétérostructures affecte la génération d'« excitons sombres » au sein du matériau. Cette découverte suggère l'importance supplémentaire d'envisager l'empilement de la dépendance à l'ordre séquentiel de ces matériaux pour une utilisation ultérieure dans des applications d'appareils réels.

Les excitons représentent un électron et un trou chargé positivement (un endroit où un électron est absent) liés ensemble par attraction électrostatique dans un matériau solide, généralement un cristal semi-conducteur. Les semi-conducteurs TMD monocouches ont une bande interdite directe et présentent des « excitons brillants » accessibles optiquement. Dans le même temps, il existe également des « excitons sombres », difficiles à étudier en raison de leur invisibilité. Cependant, les mécanismes sous-jacents à l'origine de ces anomalies ne sont pas entièrement compris.

Les chercheurs de l'IBS ont observé un phénomène remarquable :l'émergence ou la disparition de pics de photoluminescence (PL) supplémentaires basés sur différentes séquences d'empilement. Il a été confirmé que cet effet non signalé est reproductible sur plusieurs hétérostructures.

Les chercheurs ont attribué l’origine de ces pics supplémentaires à l’émergence d’excitons sombres exclusivement situés dans la couche supérieure de l’hétérostructure, ce qui est encore confirmé par microscopie à effet tunnel (STM). Les chercheurs s'attendent à ce que cette propriété puisse être utilisée pour les interrupteurs de puissance optiques dans les panneaux solaires.

Le Dr Riya Sebait, le premier auteur de l'étude, a déclaré :« Nos résultats expérimentaux démontrent clairement des propriétés anormales dépendant de la séquence d'empilement, qui pourraient potentiellement ouvrir la voie à un nouveau domaine d'étude appelé « fliptronique ». Lorsque nous retournons ou inversons l'hétérostructure, les bandes subissent une renormalisation unique."

Une interface propre et sans résidus est nécessaire pour étudier les propriétés dépendantes de l’empilement. Cette étude représente une avancée significative car c’était la première fois. Il a été démontré que la modification de l'ordre séquentiel d'empilement dans l'hétérostructure peut entraîner des modifications de ses propriétés physiques.

Les chercheurs ont tenté d'expliquer ce phénomène induit par le retournement en examinant le modèle microscopique à plusieurs particules, ce qui suggère que la déformation dépendante de la couche pourrait être une solution possible à ce casse-tête.

En supposant que la couche supérieure devient plus contrainte que la couche inférieure, les données calculées à l'aide du modèle théorique montrent un bon accord avec les résultats expérimentaux. Cela suggère que cet empilement dépendant de la séquence nécessite une étude plus approfondie, non seulement pour comprendre la physique sous-jacente, mais également pour ses applications sur des appareils réels.

De plus, cette étude facilite également l'utilisation d'excitons sombres à impulsion interdite, car grâce à la renormalisation de bande unique au niveau de l'hétérostructure, il est possible de les convertir en excitons brillants.

Le professeur Young Hee Lee, l'auteur principal correspondant, a déclaré :"Ce phénomène exceptionnel d'émergence d'excitons sombres au niveau de l'hétérostructure bicouche inspirera d'autres chercheurs à approfondir la compréhension et à exploiter ces propriétés extraordinaires pour des applications."

Ce travail a été mené dans le cadre de collaborations interdisciplinaires avec le professeur Ermin Malic de la Philipps-Universität Marburg, en Allemagne, et le chercheur Seok Jun Yun du Oak Ridge Laboratory, aux États-Unis.

Plus d'informations : Riya Sebait et al, Modulation d'excitons sombres dépendante de l'ordre séquentiel dans une hétérostructure TMD bicouche, Nature Communications (2023). DOI :10.1038/s41467-023-41047-6

Informations sur le journal : Communications naturelles

Fourni par l'Institut des sciences fondamentales