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Observation d’une importante polarisation de vallée des excitons chargées dans des monocouches de MoS2

par Anne-Marie - publié le

Un travail récemment publié par l’équipe “Electrons Photons Surfaces” dans le journal Communications Physics explore le degré de liberté de vallée des excitons chargés dans un semi-conducteur bidimensionnel.

Les électrons dans les monocouches de dichalcogénures de métaux de transition (TMD) possèdent des degrés de liberté ayant des propriétés très prometteuses pour des futurs dispositifs optoélectroniques. En effet, les électrons libres dans un cristal bidimensionnel tel que le MoS2 sont soumis à un couplage inédit entre leur spin et leur impulsion, qui associe les deux orientations opposées du spin des électrons aux deux valeurs opposées de l’impulsion (K+ et K-) dans les vallées de la structure électronique du matériau. Une étape cruciale pour des futures applications consiste alors à pouvoir initialiser le degré de liberté de spin/vallée dans ce type de matériau. Dans un travail effectué au PMC, une initialisation optique très efficace du degré de liberté de vallée dans des monocouches de MoS2 encapsulés avec du nitrure de bore hexagonal (h-BN) a été démontrée. Les mesures ont été faites à 20 degrés Kelvin sur une structure fabriquée par Sangjun Park, permettant d’injecter soit des électrons, soit des trous dans la couche de MoS2 par l’application d’une tension électrique. Un schéma de l’échantillon est montré en Fig.1(a), ainsi que des images obtenues sous microscope optique en Fig.1(b) et Fig.1(c). Le semi-conducteur 2D (ici MoS2) est connecté grâce à des feuilles de graphite à des contacts métalliques déposés sur le substrat par Steve Arscott (IEMN Lille).

Figure 1 (a) Schéma de l’échantillon. La monocouche de MoS2 est encapsulée entre deux feuillets de h-BN ce qui permet d’avoir une bonne qualité optique ainsi que de prévenir des effets de photo-dopage non désirables. Les feuillets de graphite permettent d’avoir un contact électrique, et donc de controller la densité des porteurs de charges dans le MoS2 par l’application d’une tension. (b) Image sous microscope optique de l’échantillon. (c) Image cette-fois ci en champ sombre, qui démontre l’absence de bulles entre les différentes interfaces. L’échelle est la même que dans (b).

Sur cet échantillon, l’équipe a démontré en photoluminescence un degré de polarisation de vallée très élevée pour les différents types d’excitons sous excitation lumineuse avec des photons polarisés circulairement. En particulier, on a observé pour la première fois l’initialisation optique du couplage spin/vallée des excitons chargés positivement, jusqu’ici très rarement accessibles à cause de l’utilisation des monocouches non encapsulées pour lesquelles des effets de photo-dopage (entre autres) empêchent d’injecter des trous efficacement. Pour les excitons chargés négativement, une polarisation pouvant aller jusqu’à 70% a été observée, ce qui est surprenant pour une excitation optique non résonante. On attribue ce degré de polarisation élevé à la structure des bandes particulière du MoS2. Finalement, cette étude démontre également la signature d’une polarisation dynamique des électrons et des trous résidents, récemment observée pour la première fois dans des monocouches de WSe2 et WS2 et, ici, pour la première fois dans MoS2.

Ce travail permet de mieux comprendre les différents mécanismes pouvant influencer la polarisation de vallée des quasi particules dans des monocouches de TMD, ainsi que la polarisation dynamique des porteurs résidents. Cette compréhension est cruciale pour des futurs développements dans le domaine de la « vallée-tronique », car ces excitons polarisés auront un impact sur les propriétés optiques et de transport des TMDs et peuvent être détectés dans des expériences comme l’effet Hall de vallée.

Publication
Efficient valley polarization of charged excitons and resident carriers in Molybdenum disulfide monolayers by optical pumping,
Sangjun Park, Steve Arscott, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Fausto Sirotti and Fabian Cadiz, Communications Physics 5, 73 (2022)