Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (UPR 8011)


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Un STM dans la lumière !

Luminescence de TMD amplifiée par des substrats plasmoniques

par WAROT Bénédicte - publié le , mis à jour le

La technique d’émission de lumière dans un STM a été utilisée pour étudier la luminescence de monocouches semiconductrices de MoSe2 avec des résolutions spatiale et spectrale inédites. Les mécanismes élémentaires à l’origine de cette émission de lumière ont été identifiés et l’utilisation de substrats plasmoniques nanostructurés a permis de montrer une amplification d’un facteur 10 de la luminescence de ces couches.

La voie du ″tout-optique″ est pleine de promesses pour améliorer la vitesse de transmission de l’information. Dans la course à la miniaturisation, les techniques dérivées des microscopies de champ proche permettent de s’affranchir de la limite fondamentale imposée par la diffraction. C’est dans ce contexte et dans le cadre d’une activité transverse impliquant des enseignants-chercheurs de trois groupes du CEMES (NeO, SINanO et GNS) qu’un dispositif expérimental permettant l’excitation et la détection de la luminescence dans un STM a été développé au laboratoire. Il autorise l’étude des mécanismes fondamentaux d’émission lumineuse à des échelles spatiale et spectrale inédites.

La technique d’émission de lumière induite par STM a été appliquée à l’étude de la luminescence de monocouches de MoSe2 déposées sur des substrats métalliques (collaboration avec l’Université Rice de Houston et l’Université du Texas de San Antonio). Les signatures spectrales spécifiques de la luminescence du substrat et des monocouches de MoSe2 ont été mises en évidence. Elles révèlent l’existence de deux mécanismes d’émission lumineuse : désexcitation radiative de modes plasmons confinés dans le gap pointe-surface du STM pour le substrat métallique, et recombinaisons électron-trou pour la monocouche de MoSe2. Les cartographies photoniques montrent avec une résolution nanométrique que la luminescence du MoSe2 est favorisée par la création de porteurs minoritaires dans la couche et permettent de décrire le mécanisme à l’origine de cette émission de lumière.

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L’émission de lumière excitée par le courant tunnel dans un STM permet l’étude des mécanismes de luminescence à une échelle nanométrique. Elle est mise à profit pour démontrer l’exaltation de la luminescence de monocouches de MoSe2 sur des substrats plasmoniques nanostructurés.

Le dépôt des monocouches de MoSe2 sur substrat plasmonique donne naissance à des modes hybrides résultant du couplage entre les excitons confinés dans la couche, et les modes plasmons excités sur le substrat par le courant tunnel. La morphologie du substrat est alors un paramètre permettant de moduler ce couplage et in fine la luminescence de la couche déposée en jouant sur l’accord spectral entre ces excitations élémentaires. L’utilisation d’un substrat d’or nanostructuré a ainsi permis d’amplifier la luminescence du MoSe2 d’un facteur 10 par rapport à celle observée sur substrat plan. Cette approche inédite et originale ouvre la voie à l’étude des mécanismes de luminescence d’émetteurs localisés (puits quantiques ou molécules).

Publication : 

"Plasmonic-Induced Luminescence of MoSe2 Monolayers in a Scanning Tunneling Microscope>" R. Péchou, S. Jia, J. Rigor, O. Guillermet, G. Seine, J. Lou, N. Large, A. Mlayah, R. Coratger. ACS Photonics 2020. http://dx.doi.org/10.1021/acsphotonics.0c01101

Contact : Dr. Renaud Péchou, UPS, CEMES (CNRS) renaud.pechou chez cemes.fr