Investigation of Exciton Linewidth and Lineshapes in Transition Metal Dichalocogenide van der Waals Heterostructures by Electron Microscopy and Spectroscopies
Étude de la largeur de ligne et de la forme des lignes d'exciton dans les hétérostructures de van der Waals de dichalcogénure de métal de transition par microscopie et spectroscopie électroniques
Résumé
Transition metal dichalcogenides (TMDs) belong to the family of two-dimensional (2D) materials, and their monolayers appear to be very effective light emitters in the visible range. The optical response of TMDs is determined by exciton resonances, which correspond to electron-hole pairs bonded by Coulomb force. This quasiparticle has characteristic radius in very small spatial regions, typically a few nanometres, i.e. well below the diffraction limit of light. Their microscopic observation therefore requires spatial resolution on the nanometer scale - which rules out the use of standard optical techniques. However, scanning transmission electron microscopy (STEM) is a particularly suitable tool for studying the properties of excitons at the nanoscale, as it employs fast electrons with typical wavelengths on the scale of a few picometres. As a result, the last decade has seen a strong development of electron spectroscopy as applied to nano-optics, including: electron energy loss spectroscopy (EELS), cathodoluminescence spectroscopy (CL). The 2D TMDs are highly affected by their surroundings, since monolayers have a high specific surface area, so they are highly sensitive to their local dielectric environment, thus resulted in the optical response of TMDs exhibit spatial variations. On top of that, STEM/EELS/CL is suitable means of experimentation for TMD exciton properties investigation on the nano-scale though combined technologies ,including low-loss and core-loss EELS, strain mapping and wide-beam diffractiontilt series. In this thesis, the optical properties of TMDs are integrated with other 2D materials in the form of van der Waals heterostructures (vdWH) inside a monochromated STEM equiped with EELS and CL detector. It was demonstrated that the TMDs encapsulated between two 2D material flakes are preserved in the finest possible manner, namely hBN and graphite, with sharp emission/absorption excitonic linewidths approaching the homogeneous broadening limit. It was found that surface cleanliness and charge trapping are more influential factors than roughness when it came to inhomogeneous broadening of TMD monolayers on different substrates. Furthermore, charge, energy, and electromagnetic coupling between TMDs and graphene/hBN are demonstrated by a damped neutral exciton CL emission peak and an asymmetric absorption lineshape inside various graphite involved TMDs-based encapsulated vdWH.
Les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) appartiennent à la famille des matériaux bidimensionnels (2D), et leurs monocouches semblent être des émetteurs de lumière très efficaces dans le domaine visible. La réponse optique des TMD est déterminée par les résonances d'exciton, qui correspondent à des paires électron-trou liées par la force de Coulomb. Ces quasi-particules ont un rayon caractéristique dans de très petites régions spatiales, typiquement quelques nanomètres, c'est-à-dire bien en dessous de la limite de diffraction de la lumière. Leur observation microscopique nécessite donc une résolution spatiale à l'échelle du nanomètre - ce qui exclut l'utilisation des techniques optiques standard. Cependant, la microscopie électronique à transmission à balayage (STEM) est un outil particulièrement adapté à l'étude des propriétés des excitons à l'échelle nanométrique, car elle utilise des électrons rapides dont la longueur d'onde typique est de l'ordre de quelques picomètres. En conséquence, la dernière décennie a vu un fort développement de la spectroscopie électronique appliquée à la nano-optique, notamment : la spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS), la spectroscopie de cathodoluminescence (CL). Les TMD 2D sont fortement affectées par leur environnement, puisque les monocouches ont une surface spécifique élevée, elles sont donc très sensibles à leur environnement diélectrique local, ce qui entraîne des variations spatiales dans la réponse optique des TMD. En outre, STEM/EELS/CL est un moyen d'expérimentation approprié pour l'étude des propriétés des excitons des TMD à l'échelle nanométrique grâce à des technologies combinées, y compris STEM à faible perte et EELS à perte de cœur, la cartographie de la déformation et les séries de diffraction à faisceau large. Dans cette thèse, les propriétés optiques des TMD sont intégrées à d'autres matériaux 2D sous la forme d'hétérostructures de van der Waals (vdWH) à l'intérieur d'un STEM monochromatique équipé d'un détecteur EELS et CL. Il a été démontré que les TMD encapsulées entre deux paillettes de matériaux 2D sont conservées de la manière la plus fine possible, à savoir le hBN et le graphite, avec des largeurs de lignes excitoniques d'émission/absorption nettes approchant la limite d'élargissement homogène. Il a été constaté que la propreté de la surface et le piégeage des charges sont des facteurs plus influents que la rugosité lorsqu'il s'agit de l'élargissement inhomogène des monocouches de TMD sur différents substrats. En outre, le couplage de charge, d'énergie et électromagnétique entre les TMD et le graphène/hBN est démontré par un pic d'émission CL d'exciton neutre amorti et une forme de ligne d'absorption asymétrique à l'intérieur de divers vdWH encapsulés à base de TMD impliqués dans le graphite.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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