Optical spectroscopy of hexagonal boron nitride : from bulk to monolayer - Laboratoire Charles Coulomb (L2C) Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Optical spectroscopy of hexagonal boron nitride : from bulk to monolayer

Spectroscopie optique du nitrure de bore : du massif vers la monocouche

Résumé

Hexagonal boron nitride (h-BN) or “white graphite” is a semiconductor which has a wide bandgap (~ 6 eV) and whose crystalline structure is close to that of graphite: it is formed by planes of atoms arranged in a hexagonal form. The interaction between the planes is of Van-der-Waals type. In 2004, h-BN demonstrated its ability to efficiently emit light in the deep UV (~ 200 nm) in crystals synthesized in NIMS laboratory in JAPAN. These results have attracted the attention of the community of semiconductors to the possibility of being used as a source of light for deep UV applications.The nature of the band gap in bulk h-BN has been the subject of a debate for over 12 years and it has been studied by theoretical calculations and by experiments. In 2016, the gap was demonstrated to be indirect based on 2-photon spectroscopy measurements. Indirect exciton and phonon-assisted recombination were observed by photoluminescence in h-BN.In h-BN, like in other 2D materials, when changing from a 3D system (massive) to a 2D system (monolayer), the nature of the gap changes. The calculations show a change from an indirect gap (bulk) to a direct gap (monolayer). This indirect-direct gap transition has never been observed in h-BN, and consequently the opto-electronic properties of the monolayer have never been studied. During this thesis, we studied for the first time the optical properties of the BN monolayer (mBN) by performing optical spectroscopy (macro-PL and reflectivity) in mBN samples grown by MBE at high temperature on graphite substrates (HOPG).Our results demonstrated for the first time the possibility to grow mBN (3.5 Å) by MBE technique. Our optical measurements demonstrated the presence of an optical transition at 6.1 eV associated to the direct gap in the mBN.
Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) ou « graphite blanc » est un semiconducteur qui possède une large bande interdite (~ 6 eV) et dont la structure cristalline est proche de celle du graphite : elle est formée par des plans d’atomes arrangés en nid d’abeilles. La liaison entre les plans est de type Van-der-Waals. En 2004, h-BN a démontré sa capacité d’émettre de manière efficace de la lumière dans l’UV profond (~200 nm) et cela sur des cristaux massifs synthétisés au Japon (NIMS). Ces résultats ont attiré l’attention de la communauté scientifique des semiconducteurs pour la possibilité de pouvoir utiliser ce matériau comme une source de lumière pour des applications dans l’UV profond. La nature de la bande interdite dans h-BN massif a été un sujet de débat pendant plus de 12 ans et elle a été étudiée à la fois par des calculs théoriques et par des expériences. En 2016, le gap a été démontré de nature indirecte par des expériences de spectroscopie optique à 2-photons. Un exciton indirect et des recombinaisons assistées par phonons ont été observés par photoluminescence dans h-BN. Dans h-BN, comme dans d’autres matériaux 2D, en passant d’un système 3D (massif) à un système 2D (monocouche), la nature du gap change. Les calculs montrent un changement d’un gap indirect (massif) vers un gap direct (monocouche). Cette transition de gap indirect-direct n’a jamais été observée dans h-BN, et en conséquence les propriétés opto-électroniques de la monocouche n’ont jamais été étudiées. Durant cette thèse, nous avons étudié pour la première fois les propriétés optiques de la monocouche de BN (mBN) par spectroscopie optique (macro-PL et réflectivité) sur des échantillons de mBN épitaxiés par MBE à haute température sur des substrats de graphite (HOPG). Nos résultats ont démontré pour la première fois la possibilité de fabriquer une monocouche de BN (3.5 Å) par MBE. Nos mesures de spectroscopie optique ont démontré la présence d’une transition optique à 6.1 eV associée à un gap direct dans la mBN.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03538149 , version 1 (20-01-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03538149 , version 1

Citer

Christine Elias. Optical spectroscopy of hexagonal boron nitride : from bulk to monolayer. Optics [physics.optics]. Université Montpellier, 2020. English. ⟨NNT : 2020MONTS054⟩. ⟨tel-03538149⟩
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