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Theses Year : 2021

Electron dynamics in layered materials

Dynamique des électrons dans les composes lamellaires

Abstract

Currently,layered materials attract great interest due to their electrical and optical properties. Such crystals display an electronic band structure that strongly depends on the sample thickness.The large tunability of the electronic screening and gap size can be very attracting for the creation of heterostructures whose properties can be designed on demand. We can say that the research field of low dimensional materials has been boosted by the discovery of graphene and quickly has been enlarged to other materials as transition metal dichalcogenides,black phosphorous and Indium selenide.Our work will focus on the excited state dynamics in these compounds,as well as on the evolution of the band structure upon surface doping.The manuscript is organized as follow:Chapter1 provides a general introduction of layered materials.In particular,we discuss the structural and electronic properties of some relevant compounds.Chapter2 describes the principles of ultrafast spectroscopic methods and shows many applications to the case of the layered materials.We mainly focus our attention on the electron dynamics in semiconducting crystals and charge density waves systems. The electron dynamics of layered materials have been investigated by means of time-and angle-resolved photoelectron spectroscopy (TrARPES),which is a powerful tool to directly map the electronic band structure and to follow the dynamics of the electrons photoinjected via an ultrafast laser source.Chapter3 discusses the experimental technique of choice and the setup where we have been performed in the reported measurements.we begin the discussion of our original data in Chapter4.The TrARPES measurements of layered black phosphorus(BP) monitor the electronic distribution in the conduction and valence band as a function of delay time from photoexcitation.The data show that,after thermalization,the photo-injected electrons do not lead to sizable band gap renormalization,neither do they generate an appreciable amount of carrier multiplication.On the other hand,a Stark broadening of the valence band is ascribed to the inhomogeneous screening of a local potential around charge defects.Chapter5 shows time resolved ARPES data on a BP surface that is doped in-situ by means of alkali metals evaporation. We monitor the collapse of the band-gap in the accumulation layer with unmatched accuracy and we observe that the buried states detected by the low energy photons of our probing pulse acquire a surprisingly high band velocity at large dopants concentration.Chapter6 deals with the modification of hot carrier dynamics upon increasing the surface doping of BP.In this case the reported analysis is still preliminary and needs to be backed by ab-initio calculations.Chapter7 contains our work on layered ɛ-InSe.As in the case of BP,we generate an accumulation layer of varying electronic density on the surface of such semiconductor.By spanning the doping level from the semiconducting to the metallic limit,we observe that quantum screening of Longitudinal Optical phonons is not as efficient as it would be in a strictly bidimensional system,indicating a remote coupling of confined states to polar phonons of the bulk.Furthermore,we show that a 3D Fröhlich interaction with Thomas-Fermi screening can be used to mimic the effects of such a remote coupling at the ɛ-InSe surface.In Chapter8,we study the layered 1T-TaS2.This material belongs to the Charge density waves (CDW) systems and has been extensively investigated by several research groups.In 1T-TaS2,the combination of structural distortion with high electronic correlations leads to a complex and fascinating phase diagram.We could reproduce controversial data that have been recently published in the literature and that identify a new instability in proximity of the metal to-insulator transition.Finally,chapter9 summarizes the conclusions of our work and briefly discusses the perspectives of some future directions of research.
Actuellement,les matériaux lamellaires suscitent un grand intérêt en raison de leurs propriétés électriques et optiques.On peut dire que le domaine de recherche des matériaux à basse dimensionnalité a été initié par la découverte du graphène et c’est rapidement élargi à d'autres matériaux comme les dichalcogénures de métaux de transition,le phosphore noir et le séléniure d'indium.Nos travaux portent sur la dynamique des états excités dans ces composés,ainsi que sur l'évolution de la structure des bandes lors d’un fort dopage de surface.Le manuscrit est organisé comme suit :Lechapitre1 est une introduction générale sur les matériaux lamellaires.En particulier,nous discutons des propriétés structurelles et électroniques des composés plus connus.Lechapitre2 décrit les principes de fonctionnement de la spectroscopique ultra-rapides et montre nombreuses applications sur des matériaux lamellaires.Nous attirons principalement l’attention sur la dynamique des électrons dans les cristaux semi-conducteurs ou avec onde de densité de charge.Lechapitre3 illustre la technique expérimentale que nous avons employée et l’enceinte dans lequel nous avons effectuées les mesures.La dynamique des électrons des matériaux lamellaires a été étudiée au moyen de la spectroscopie photoélectronique résolue en temps et en angle,qui est un outil puissant pour cartographier la structure des bandes électronique et pour suivre la dynamique des électrons photo-injectés via une source laser ultra-rapide. La discussion des données originales de notre travail débute dans lechapitre4.Les mesures TrARPES sur le phosphore noir suivent la distribution électronique dans la bande de conduction en fonction du délai temporale par rapport à l’instant de la photoexcitation.Nos données montrent qu'après thermalisation,les électrons photo-injectés ne produisent pas une diminution de bande d’énergie interdite,ni génèrent-ils une multiplication appréciable du nombre des porteurs.D'autre part,un élargissement Stark de la bande de valence est due à l’écrantage inhomogène d'un potentiel local autour de défauts chargés.Lechapitre5 présente les données ARPES résolues en temps sur une surface de phosphore noir dopée in situ par évaporation des métaux alcalins.Nous mesurons l'effondrement de la bande interdite dans la couche d'accumulation électronique avec une précision inédite et nous observons des états enterrés qui sont détectable à cause de la faible énergie de photons dans notre sonde.Ces états acquièrent une vitesse de bande étonnamment élevée quand la concentration de dopants augmente.Lechapitre6 montre la modification de la dynamique des porteurs chauds lors de la variation du dopage de surface de BP.Dans ce cas, l'analyse proposé est encore préliminaire et doit être complémenté par des calculs ab-initio.Lechapitre7 contient notre travail sur le composé ɛ-InSe.Comme dans le cas de phosphore noir, nous générons une couche d'accumulation de densité électronique variable à la surface du semi-conducteur.En variant le niveau de dopage à partir du limite semi-conducteur jusqu’au limite métallique,nous observons que l’écrantage quantique des phonons optiques longitudinaux n'est pas aussi efficace qu'il le serait dans un système strictement bidimensionnel.Ce résultat indique la présence d’un couplage à distance entre les états confinés à la surface et les phonons polaires du volume.Dans lechapitre8,nous étudions le 1T-TaS2.Ce matériau appartient aux systèmes d'ondes de CDW et a été largement étudié par plusieurs équipes de chercheurs.Dans le 1T-TaS2,la combinaison d'une distorsion structurelle avec des fortes corrélations électroniques conduit à un diagramme de phase complexe et fascinant.Nous reproduisons des données controversées qui ont été récemment publiées dans la littérature et qui identifient une nouvelle instabilité en proximité de la transition métal-isolant.Enfin,lechapitre9 résume les conclusions de nos résultats et aborde brièvement les orientations de recherche à venir.
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tel-03221132 , version 1 (07-05-2021)

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  • HAL Id : tel-03221132 , version 1

Cite

Jingwei Dong. Electron dynamics in layered materials. Physics [physics]. Institut Polytechnique de Paris, 2021. English. ⟨NNT : 2021IPPAX019⟩. ⟨tel-03221132⟩
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