Exploring Structural and Optical Properties of TMDC Heterostructures Using Atomic Force Microscopy Ironing
Étude des propriétés structurelles et optiques des hétérostructures de TMDC en utilisant le 'ironing' par microscopie à force atomique.
Résumé
Recent progress in the study of two-dimensional (2D) materials, particularly transition metal dichalcogenides (TMDCs), has unveiled remarkable properties and potential applications. TMDCs, such as MoS 2 and MoSe 2 , are noted for their unique electronic and optical characteristics, which can be finely tuned by mechanical exfoliation and precise stacking into heterostructures. Experimental and theoretical analyses have demonstrated that these indirect gap materials when exfoliated into their monolayer form, acquire a direct gap at the K point of the Brillouin zone. In this thesis, we discuss the development and optimisation of a novel fabrication technique using nail polish, which includes the processes of exfoliation, characterisation and assembly into heterostructures of TMDCs encapsulated by hexagonal boron nitride (hBN) using a nail polish stamp.
A major part of this research is dedicated to the post-fabrication technique known as atomic force microscopy (AFM) ironing. In Chapter 3, we explore the application of this method to improve the flatness and uniformity of TMDC monolayers and their heterostructures. The AFM ironing process effectively reduces surface roughness and mitigates interlayer inhomogeneity, thereby improving the optical properties of the materials. In our study, we investigate the excitonic physics in these 2D materials, employing steady-state photoluminescence (PL) spectroscopy. The results demonstrate that AFM ironing not only enhances the structural quality of the heterostructures but also significantly influences the excitonic transitions, linewidth and intensities, leading to improved photoluminescence characteristics.
In Chapter 4, the thesis introduces the development and utilization of a flake probe for magneto-transmission measurements. This novel experimental setup, synchronized with resistive coils and cryostat systems, enables the precise study of the electronic properties of the TMDC heterostructures under varying magnetic fields. These measurements provide critical insights into optical behaviour of 2D materials by doing a proof of concept on 2D phenethylammonium lead iodide (PEPI).
Through a combination of experimental techniques, including AFM characterization and optical spectroscopy, this research provides comprehensive insights into the fundamental properties and potential applications of TMDC heterostructures. The findings contribute to the broader understanding of 2D materials and pave the way for their use in advanced nanoelectronic and optoelectronic devices.
Les progr`es r´ecents dans l’´etude des mat´eriaux bidimensionnels (2D), en particulier les dichalcog´enures de m´etaux de transition (TMDCs), ont r´ev´el´e des propri´et´es remarquables et des applications potentielles. Les TMDCs, tels que le MoS2 et le MoSe2, sont connus pour leurs caract´eristiques ´electroniques et optiques uniques, qui peuvent ˆetre finement ajust´ees par exfoliation m´ecanique et empilement pr´ecis en h´et´erostructures. Des analyses exp´erimentales et th´eoriques ont d´emontr´e que ces mat´eriaux `a gap indirect acqui`erent un gap direct au point K de la zone de Brillouin lorsqu’ils sont exfoli´es en leur forme de monocouche. Dans cette th`ese, nous discutons du d´eveloppement et de l’optimisation d’une technique de fabrication novatrice utilisant du vernis `a ongles, comprenant les processus d’exfoliation, de caract´erisation et d’assemblage en h´et´erostructures de TMDCs encapsul´es par du nitrure de bore hexagonal (hBN) en utilisant un tampon de vernis `a ongles. Une grande partie de cette recherche est d´edi´ee `a la technique post-fabrication connue sous le nom de ’ironing’ par microscopie `a force atomique (AFM). Dans le Chapitre 3, nous explorons l’application de cette m´ethode pour am´eliorer l’´etat de surface et l’uniformit´e des monocouches de TMDC et de leurs h´et´erostructures. Le processus de AFM ironing r´eduit efficacement la rugosit´e de la surface et att´enue l’h´et´erog´en´eit´e inter-couche, am´eliorant ainsi les propri´et´es optiques des mat´eriaux. Dans notre ´etude, nous investiguons la physique des excitons dans ces mat´eriaux 2D, en utilisant la spectroscopie de photoluminescence (PL) en r´egime stationnaire. Les r´esultats d´emontrent que le AFM ironing non seulement am´eliore la qualit´e structurelle des h´et´erostructures mais influence ´egalement de mani`ere significative les transitions excitoniques, la largeur des raies et les intensit´es, conduisant `a des caract´eristiques de photoluminescence am´elior´ees. Dans le chapitre 4, cette th`ese pr´esente le d´eveloppement et l’utilisation d’une sonde de magn´eto- transmission d´edi´ee `a l’´etude des flocons. Cet appareil exp´eri- mental novateur, synchronis´e avec une bobine r´esistive et un syst`eme cryog´enique, permet l’´etude pr´ecise des propri´et´es ´electroniques des h´et´erostructures TMDC sous diff´erents champs magn´etiques. Ces mesures fournissent des informations cruciales sur le comportement optique des mat´eriaux 2D en r´ealisant une preuve de concept sur le plomb iodure de ph´en´ethylammonium 2D (PEPI). Grˆace `a une combinaison de techniques exp´erimentales, incluant la caract´erisa- tion AFM et la spectroscopie optique, cette ´etude offre des aper¸cus complets sur les propri´et´es fondamentales et les applications potentielles des h´et´erostructures TMDC. Les r´esultats permettent une meilleure compr´ehension des mat´eriaux 2D et ouvrent la voie `a leur utilisation dans des dispositifs nano´electroniques et opto´elec- troniques avanc´es.
Mots clés
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