Propriétés optiques de monocouches de semiconducteurs révélées grâce à des techniques combinées de spectroscopie électronique à l’échelle nanométrique

La mesure combinée de l’absorption et de l’émission d’un matériau permet d’accéder à des informations telles que le dopage, l’homogénéité etc. Elles sont généralement obtenues avec des techniques purement optiques, ce qui limite la résolution spatiale atteignable. Les progrès récents de spectroscopie électronique en microscopie électronique en transmission (STEM) offrent de nouvelles perspectives pour quantifier les propriétés optiques de monocouches de semiconducteurs avec une résolution de l’ordre de la dizaine de nanomètres.

Les signatures spectrales d’excitons et d’excitons chargés dans des monocouches de dichalcogénures de métaux de transitions (TMDs) ont été mesurées à l’échelle nanométrique en émission et en absorption. Pour comprendre l’origine de leurs variations, ces mesures ont été corrélées à des cartes de déformation et d’environnement chimique, mesurées aux mêmes échelles. Cela a permis de confirmer que l’émission des excitons chargés est fortement influencée par l’environnement diélectrique local de ceux-ci. Ces travaux sont publiés dans la revue Nano Letters.

Dans ce travail, des échantillons spécifiques, constitués de monocouches de WS₂ encapsulées dans du nitrure de bore hexagonal (h-BN) déposés sur une grille de microscopie électronique (Figure), ont été fabriquées en collaboration avec une équipe du Massachussetts Institute of Technology (MIT). Les scientifiques ont utilisé le STEM développé au Laboratoire de Physique des Solides (ChromaTEM, projet TEMPOS), équipé d’un monochromateur d’électrons permettant une résolution en EELS comparable à celle des mesures d’absorption en optique mais avec une résolution nanométrique. Un des avantages de ce dispositif est de pouvoir combiner à la fois des mesures d’émission (en cathodoluminescence) et d’absorption par spectroscopie de perte d’énergie des électrons (EELS) avec des techniques d’imagerie (morphologie de l’échantillon, cartes de déformation ou cartes d’environnement chimique (Figure). En particulier, les monocouches de TMDs présentent des émissions de lumière localisées. Certaines de ces émissions ont été identifiées comme étant des sources de photons uniques. L’origine microscopique de ces émissions est encore inconnue, et peut être explorée en faisant des cartographies de contrainte ou des images résolues atomiquement corrélées à l’émission en cathodoluminescence. De nombreux systèmes pourront à l’avenir être caractérisés de cette façon, ce qui permettrait d’accéder aux informations sur l’origine des variations de phénomènes optiques à l’échelle nanométrique.

Figure. À gauche, schéma du procédé conduisant à l’émission de cathodoluminescence (CL) de la monocouche (orange) encapsulée dans du h-BN (violet). Une image résolue atomiquement de la monocouche près d’un bord est visible (échelle 2 nm). Au centre, des spectres de CL et d’EELS sont affichés, avec les différents pics excitoniques indiqués. À droite, une carte d’intensité de l’exciton chargé en cathodoluminescence est affichée. Les motifs de plus basse intensité (violet) ont été corrélés à la présence de contaminants.

Référence
Nanoscale modification of WS₂ trion emission by its local electromagnetic environment
N. Bonnet, H. Y. Lee, F. Shao, S. Y. Woo, J. D. Blazit, K. Watanabe, T. Taniguchi, A. Zobelli, O. Stéphan, M. Kociak, S. Gradečak, L. H. G. Tizei
Nano Letters, 2021, 21, 10178-10185
doi : 10.1021/acs.nanolett.1c02600

Contacts
Noemie Bonnet
Luiz Galvao-Tizei