Excitons dans le nitrure de bore hexagonal et ses homostructures en rotation : propriétés de volume, aux surfaces et aux interfaces - Inria - Institut national de recherche en sciences et technologies du numérique
Thèse Année : 2023

Excitons in hexagonal boron nitride and its twisted homostructures : bulk, surface and interface properties

Excitons dans le nitrure de bore hexagonal et ses homostructures en rotation : propriétés de volume, aux surfaces et aux interfaces

Résumé

Hexagonal boron nitride (hBN) is a large-gap semiconductor that plays a strategic role in the family of 2D materials due to properties such as intense UV emission or its protective role for other 2D materials. The assembly of different 2D materials to form 2D material heterostructures (h2D) offers interesting perspectives for engineering their optical and electronic properties. This requires an understanding of the intrinsic properties of each 2D material, but also of the reciprocal influences of the assembled materials on each other, as well as surface and interface effects.This thesis focuses on the excitonic properties underlying the luminescence of hBN. The aim was to study in hBN crystals, their spatial and temporal dynamics in volume, their out of plane diffusivity and their surface recombination capacity to then approach in deep emission phenomena occurring at interfaces between two disoriented hBN crystals forming twisted hBN-hBN homostructures. These studies were carried out with the GEMaC's time-resolved cathodoluminescence (CL) setup, which is suitable for the study of excitonic dynamics thanks to the spatial and temporal control of the excitation. The experiments were performed on hBN single crystals of different qualities due to their synthesis technique and on hBN-hBN homostructures assembled from exfoliated flakes of bulk crystals at the LEM and by the partner laboratory LPCNO.In a first step, the study of the decay dynamics of the free exciton in the bulk of different hBN crystals allowed us to measure its radiative lifetime, which is intrinsic to the material, at 27ns. This very low value allowed us to understand the origin of the high luminescence efficiency of hBN, which has been a subject of debate for 15 years. It has been established that the luminescence efficiency of hBN is due to the compacity of its exciton exciton which makes its radiative recombination particularly efficient. The role of crystal defects on the lifetime of the exciton is identified and discussed from the comparative study of crystals of different qualities.In a second step, we studied exciton diffusion and recombination at hBN surfaces using a new experimental protocol in CL that uses surface recombinations as a probe of the exciton diffusion. The application of the protocol allowed the measurement of the out-of-plane exciton diffusion length and diffusivity as well as the surface recombination rate, which reveals the hBN surface as one of the most recombining surfaces of known semiconductors. These results were used to design the hBN-hBN homostructures in order to maximise exciton transfer to the interface between the two twisted crystals.The third step is the detailed study of the luminescence phenomenon at 300 nm observed at the interface of disoriented hBN-hBN homostructures. A series of continuous excitation and time-resolved experiments has established that this very broad emission band is driven by the transfer and trapping of free excitons at the interface with a quantum yield close to 1. The study of the luminescence decays has been analysed by considering a self-trapping mechanism characterised by a barrier energy of 10 meV and an interface trapping potential for volume excitons of the order of 100 meV.The final part of the thesis deals with the fabrication of color centers in hBN by ion implantation and electron irradiation. The effect of these techniques on the luminescence of hBN is studied in CL and photoluminescence in order to assess the application potential of the created centers for quantum technologies.
Le nitrure de bore hexagonal (hBN) est un semi-conducteur à grand gap qui joue un rôle stratégique dans la famille des matériaux 2D en raison de propriétés telles qu'une émission UV intense ou son rôle protecteur pour les autres matériaux 2D. L'assemblage de différents matériaux 2D pour former des hétérostructures de matériaux 2D (h2D) offre des perspectives intéressantes pour l'ingénierie de leurs propriétés optiques et électroniques. Cela nécessite une compréhension des propriétés intrinsèques de chaque matériau 2D, mais aussi des influences réciproques des matériaux assemblés les uns sur les autres, ainsi que des effets de surface et d'interface.Cette thèse est centrée sur les propriétés excitoniques à la base de la luminescence du hBN. Il s'agissait d'étudier sur des cristaux hBN, leur dynamique spatiale et temporelle en volume, leur diffusivité et l'effet recombinant de la surface pour ensuite aborder en détail les phénomènes d'émission aux interfaces entre deux cristaux de hBN désorientés formant une homostructure hBN-hBN en rotation. Ces études ont été réalisées avec le dispositif de cathodoluminescence (CL) à résolution temporelle du GEMaC, qui permet un contrôle spatial et temporel de l'excitation adapté à l'étude de la dynamique excitonique. Les expériences ont été effectuées sur des monocristaux de hBN de différentes qualités selon leur technique de synthèse et sur des homostructures hBN-hBN assemblées à partir de fragments exfoliés de cristaux massifs au LEM et par le laboratoire partenaire LPCNO.Dans une première étape, l'étude de la dynamique de déclin de l'exciton libre en volume de différents cristaux hBN a permis de mesurer sa durée de vie radiative, qui est une donnée intrinsèque au matériau, et de l'évaluer à 27ns. Cette très faible valeur nous a permis de comprendre l'origine de la forte efficacité de luminescence du hBN, qui est un sujet débattu depuis 15 ans. Il est ainsi établi que l'efficacité de luminescence est due à la compacité spatiale de l'exciton qui rend sa désexcitation radiative particulièrement efficace. Le rôle des défauts cristallins sur la durée de vie de l'exciton est identifié et discuté à partir de l'étude comparative de cristaux de différentes qualités.Dans une seconde étape, nous avons étudié la diffusion des excitons et leurs recombinaisons aux surfaces du hBN grâce à un nouveau protocole expérimental en CL qui utilise les recombinaisons de surface comme sonde de la diffusion de l'exciton. L'application du protocole a permis de mesurer la longueur de diffusion et la diffusivité de l'exciton hors du plan ainsi que la vitesse de recombinaison de surface, qui révèle la surface de hBN comme une des plus recombinantes des semi-conducteurs connus. Ces résultats ont été exploités pour dimensionner les homostructures hBN-hBN de façon à maximiser le transfert des excitons vers l'interface entre les deux cristaux désorientés.La troisième étape est l'étude approfondie du phénomène de luminescence à 300 nm observé à l'interface des homostructures hBN-hBN désorientées. Une série d'expériences menées en excitation continue et en résolution temporelle a permis d'établir que cette bande d'émission très large est alimentée par le transfert et le piégeage d'excitons libres à l'interface avec un rendement quantique proche de 1. L'étude des déclins de luminescence a été analysée en considérant un mécanisme d'autopiégeage caractérisé par une barrière d'énergie de de 10 meV et un potentiel de piégeage de l'interface pour les excitons de volume de l'ordre de 100 meV.Le dernier volet de la thèse traite de la fabrication de centres colorés dans le hBN par implantation ionique et irradiation électronique. L'effet de ces techniques sur la luminescence du hBN est étudié en CL et en photoluminescence afin d'évaluer l'application potentielle des centres créés pour les technologies quantiques.
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  • HAL Id : tel-04815489 , version 1

Citer

Sébastien Roux. Excitons dans le nitrure de bore hexagonal et ses homostructures en rotation : propriétés de volume, aux surfaces et aux interfaces. Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]. Université Paris-Saclay, 2023. Français. ⟨NNT : 2023UPAST074⟩. ⟨tel-04815489⟩
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