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


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Vers des nanosources de lumière efficaces

Lever le voile sur les mécanismes de luminescence de TMD couplés à des nanoantennes de silicium

par WAROT Bénédicte - publié le

L’émission de lumière par les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) peut être augmentée par couplage avec des nano-résonateurs optiques, mais les mécanismes ne sont pas bien compris. En utilisant différents nano-résonateurs et TMD, les contributions dans ces systèmes hybrides (résonances optiques, nature de l’exciton, déformation de la couche) sont étudiées indépendamment. Ces résultats sont essentiels pour concevoir des nanosources de lumière efficaces.

Le développement des technologies quantiques nécessite des sources de lumière miniaturisées, à base d’émetteurs quantiques comme les monocouches (MC) de dichalcogénures de métaux de transition (TMD) transférées sur des nanostructures diélectriques optiquement résonnantes faisant office de nanoantennes. Plusieurs paramètres comme la taille, la géométrie et l’environnement diélectrique des nanostructures permettent d’agir sur ces systèmes hybrides afin de contrôler le taux d’émission optique et le diagramme d’émission, et d’en mesurer l’impact sur les propriétés optoélectroniques de la MC TMD.

Des chercheurs de Toulouse (CEMESLPCNOLAAS), en collaboration avec d’autres groupes en France (LETI) et au Japon (NIMS, LIMMS), ont utilisé différents TMD (WSe2 and MoSe2), transférés sur des nanostructures de silicium (Si-NS) produites par des techniques de gravure utilisées en microélectronique. Les Si-NS ont la forme de piliers de taille submicronique séparées par un espace de 30 à 300 nm. Les MC TMD transférées sur ces échantillons s’adaptent à la forme des nanopiliers. Par comparaison, un second type de Si-NS a été fabriqué, où l’espace entre piliers est comblé par de la silice pourobtenir une MC plate reposant à la surface des nanoantennes.

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Couche de TMD placée sur des nanoantennes de (couverture ACS Photonics, à gauche). Emission résolue spatialement d’une couche sur un échantillon non planarisé (à droite).

Pour les deux configurations, appelées respectivement non-planarisées et planarisées, les cartes de photoluminescence (PL) conduisent à une augmentation de l’émission de photons de la MC TMD localisée au-dessus des piliers de Si. Elles permettent aussi de distinguer les différents mécanismes gouvernant l’émission de lumière dans les systèmes TMD/Si-NS : 

  • Dans le cas des échantillons planarisés, l’exciton neutre caractérisé par un dipôle oscillant dans le plan du TMD est observé. Le taux d’émission et le diagramme d’émission sont modifiés par les caractéristiques de la Si-NS, permettant d’extraire l’influence optique de la nanoantenne sur l’émission de WSe2 et MoSe2.
  • Dans le cas des échantillons non-planarisés, les effets combinés de l’antenne et de la déformation du TMD indiquent qu’autour et entre les nanopiliers, les MC TMD (WSe2 ou MoSe2) sont soumises à une forte déformation en tension, à l’origine d’une diminution de l’énergie de la bande interdite du TMD, corrélée à une augmentation locale de la PL.
  • Pour WSe2 sur des Si-NS non-planarisés, une importante contribution supplémentaire apparaît, attribuée à l’exciton "sombre" correspondant un dipôle oscillant hors du plan. Pour WSe2 plan (incluant les échantillons planarisés), la contribution de cet exciton est négligeable (d’où son qualificatif "sombre"). Dans le cas présent, les parties verticales de la couche de WSe2 (le long des montants des nanopiliers) offrent la meilleure géométrie pour détecter l’exciton sombre, effet encore renforcé par l’effet d’antenne.

Ces résultats offrent une meilleure compréhension des mécanismes gouvernant l’émission de lumière des systèmes hybrides TMD/Si-NS, qui peut être contrôlée en optimisant indépendamment le design des nanoantennes, le matériau TMD et son niveau de déformation.

Ce travail est supporté par ANR HiLight (ANR-19-CE24-0020-01), NanoX 2DLight (ANR-17-EURE-0009), et le centre de calcul CALMIP (P12167).

Contacts* : Pr. Vincent Paillard (CEMES) and Dr Bernhard Urbaszek (LPCNO)

Publication : Unveiling the Optical Emission Channels of Monolayer Semiconductors Coupled to Silicon Nanoantennas. J. M. Poumirol et al., ACS Photonics 7 (11), 3106-3115 (2020)

 

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