Electronic properties of MoS2/MoSe2 van der Waals heterostructures - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Electronic properties of MoS2/MoSe2 van der Waals heterostructures

Propriétés électroniques de MoS2/MoSe2 van der Waals heterostructures

Résumé

The thesis starts with the general overview of the properties of transition metal dichalcogenides monolayers and their heterostructures. This is followed by the detailed description experimental techniques which were used to characterize photo-response of heterostructures and their preparation. In chapter 3 the impact of photodoping on the interlayer exciton emission properties is presented. The photodoping is identified by the increasing (upon illumination) trion dissociation energy, accompanied by a characteristic change of the exciton/trion photoluminescence intensity ratio in MoSe2. At the same time, the photoluminescence intensity of the interlayer exciton decreases. This is accompanied by an enhancement of the combined PL intensity of the exciton and the trion in MoSe2, showing that the interlayer charge transfer can be controlled by the doping level. This effect is persistent on a timescale of several hours, as long as the sample is maintained under vacuum. This indicates a mechanism involving laser induced desorption of molecules physisorbed on the surface of the heterostructure. This hypothesis is supported by the observed sensitivity of the photodoping rate on the excitation wavelength. The process of photodoping is much faster for higher energy photons. Chapter 4 presents the impact of the moiré pattern on the intralayer exciton spectrum in MoS2/MoSe2 heterostructure. A moiré pattern forms in van der Waals stacks due to the weak interlayer interaction which allows the layers preserve their own lattice parameters. A small twist angle, or lattice mismatch between the layers, induces a periodic spatially varying potential. The relative orientation of the akes in the investigated heterostructure has been determined using second harmonic generation spectroscopy. Experimental evidence is presented for the impact of the moiré pattern on the intralayer emission in a MoSe2/MoS2 heterobilayer encapsulated in hexagonal boron nitride. The periodic in-plane potential results in a splitting of the MoSe2 exciton and trion in emission and which seen also in the absorption spectra of the exciton. The observed energy difference between the split peaks is fully consistent with theoretical predictions. Chapter 5 reports the impact of sample quality, and the possibility to generate valley polarization using magnetic field. Three types of structures are compared, namely, CVD grown and h-BN encapsulated MoSe2, together with MoSe2/MoS2 heterostructure. The magneto-optical data suggest that the formation of moire pattern has negligible impact on the Landé g-factor of the intralayer excitonic transition.
La these commence par un apercu general des proprietes des monocouches de dichalcogenures de metaux de transition et de leurs herostructures. Ceci est suivi par la description detaillee des techniques experimentales qui ont ete utilisees pour caracteriser la photo-reponse des heterostructures et leur preparation. Dans le chapitre 3, l'impact de la photo-generation sur les proprietes d'emission des excitons intercouches est presente. La photo-generation est identiee par l'augmentation de l'energie de dissociation du trion (lors de l'illumination), accompagnee d'un changement caracteristique du rapport d'intensite de photoluminescence exciton/trion dans MoSe2. Dans le meme temps, l'intensite de photoluminescence de l'exciton intercouche diminue. Ceci s'accompagne d'une augmentation de l'intensite PL combinee de l'exciton et du trion dans MoSe2, montrant que le transfert de charge intercouche peut ^etre controle par le niveau de dopage. Cet effet est persistant sur une echelle de temps de plusieurs heures, tant que l'echantillon est maintenu sous vide. Ceci indique un mecanisme impliquant une desorption induite par laser des molecules physisorbees a la surface de l'heterostructure. Cette hypothese est etayee par la sensibilite observee du taux de photo-generation sur la longueur d'onde d'excitation. Le processus de photo-generation est beaucoup plus rapide pour les photons d'energie plus elevee. Le chapitre 4 presente l'impact du motif moire sur le spectre d'exciton intracouche dans l'heterostructure MoS2/MoSe2. Un motif moire se forme dans les empilements de van der Waals en raison de la faible interaction entre les couches qui permet aux couches de conserver leurs propres parametres de reseau. Un petit angle de torsion, ou une discordance de reseau entre les couches, induit un potentiel periodique variable dans l'espace. L'orientation relative des ocons dans l'heterostructure etudiee a ete determinee en utilisant la spectroscopie de deuxi eme generation d'harmoniques. Des preuves experimentales sont presentees pour l'impact du modele de moire sur l'emission intralayer dans une couche MoSe2/MoS2 heterobilayer encapsulee dans du nitrure de bore hexagonal. Le potentiel periodique dans le plan se traduit par un clivage du MoSe2 exciton et du trion en emission et qui se voit egalement dans les spectres d'absorption de l'exciton. La dierence d'energie observee entre les pics divises est tout a fait conforme aux previsions theoriques. Le chapitre 5 rend compte de l'impact de la qualite des echantillons et de la possibilite de generer une polarisation de vallee a l'aide d'un champ magnetique. Trois types de structures sont compares, a savoir, le MoSe2 (croissance CVD) et le MoSe2 encapsule par h-BN, ainsi que l'heterostructure MoSe2/MoS2. Les donnees magneto-optiques suggerent que la formation du motif moire a un impact negligeable sur le facteur g de Lande de la transition excitonique intracouche.
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Dates et versions

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tel-03185900 , version 2 (30-03-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03185900 , version 1

Citer

Zhang Nan. Electronic properties of MoS2/MoSe2 van der Waals heterostructures. Physics [physics]. INSA/University of Toulouse, 2020. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03185900v1⟩
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