Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-objets

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Accorder la longueur d’onde d’absorption optique dans les bicouches atomiques

Les dichalcogénures de métaux de transition atomiquement minces comme WSe2 et MoS2 interagissent fortement avec la lumière. Leurs propriétés optiques sont régies par des excitons, des électrons et des trous liés par l’attraction coulombienne. Pour être intéressant pour les applications, nous devons être capables de régler leurs énergies de transition. Ceci est réalisé dans d’autres systèmes de matériaux en appliquant un champ électrique perpendiculaire au plan de l’échantillon. Cela nécessite d’introduire une certaine distance entre l’électron et le trou, pour former un dipôle électrique, ce qui n’est pas possible pour les porteurs confinés à une monocouche.

Des expériences au LPCNO et à l’Université de Bâle dans le cadre de l’ITN 4PHOTON, appuyées par des calculs au-delà de la DFT au LPCNO, ont maintenant mis au jour des transitions optiques à forte absorption et à large accordabilité dans la région visible du spectre optique dans les bicouches MoS2. L’idée principale est d’utiliser des transitions basées sur des électrons et des trous qui ne résident pas dans les mêmes couches, mais différentes, appelées excitons intercouches. La séparation entre l’électron et le trou donne naissance à un dipôle électrique statique et permet donc d’accorder ces transitions dans les champs électriques appliqués via l’effet Stark. Pour une intégration pratique des dispositifs, les chercheurs de Toulouse et de Bâle utilisent des électrodes atomiquement fines à base de graphène. Pour savoir quelle transition est accordable et quelle transition ne l’est pas, une comparaison minutieuse entre la localisation prédite des porteurs (dans la couche 1, 2 ou délocalisée sur les deux) à partir de la théorie et des expériences sous champs magnétiques et électriques appliqués était cruciale.

L’existence d’un dipôle électrique rend les excitons intercouches non seulement accordables, mais introduit également des interactions entre eux (dipôle-dipôle). À l’avenir, il sera intéressant de coupler ces excitons à des modes de microcavité optique, comme récemment démontré pour les semi-conducteurs III-V (Nat.Mater.18, 213-218 (2019)., Nat.Mater.18, 219-222 (2019)), où de fortes interactions entre les particules sont nécessaires, pour travailler vers des commutateurs à un polariton (mélange exciton-photon).

Ce résultat a été publié dans la revue Nature Nanotechnology. Leisgang, N., Shree, S., Paradisanos, I. et al. Giant Stark splitting of an exciton in bilayer MoS2. Nat. Nanotechnol. (2020). https://doi.org/10.1038/s41565-020-...