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Theses Year : 2021

Optical and Electrical Properties of Two-Dimensional Materials

Propriétés optiques et électriques des matériaux bidimensionnels

Abstract

Two-dimensional (2D) semiconductor materials exhibit overwhelming electrical, optical, magnetic, thermal and other advantages, which enables their great potential applications in ultra-thin, transparent and highly integrated optoelectronic devices. Searching new two-dimensional materials and exploring their optimal performance, as well as expanding the practical application of two-dimensional materials have been the cores of the researches of two-dimensional materials. This thesis focuses on the vertical magnetic control of the CoFeB film on a large-area single-layer MoS₂ film, which could expand the potential of two-dimensional materials in spin optical detectors, the Polarized Photodetection (anisotropy) based on noval two-dimensional semiconductor GeAs, and the optical characterizations of group IV-VI compounds like SnS and ZnSnS alloys. This paper introduces them in detail through the following three parts: 1. We research the fabrication of the Ta/CoFeB/MgO structures with large perpendicular magnetic anisotropies (PMA) on the full coverage MoS₂ monolayers. By optimizing the thickness of the CoFeB layer and the annealing temperature, a large perpendicular interface anisotropy energy of 0.975 mJ/m² has been obtained at the CoFeB/MgO interface. By analyzing the structural and the chemical properties of the heterostructure, it is found that the insertion of MgO between the ferromagnetic metal (FM) and the 2D material can effectively block the diffusion of the FM atoms into the 2D material, and that the Ta layer plays a critical role to efficiently absorb B atoms from the CoFeB layer to establish the PMA. From the results of ab initio calculations, the MgO thickness can be tuned to modify the MoS₂ band structure, from an indirect bandgap with 7 MLs MgO layers to a direct bandgap with 3 MLs MgO layers. The proximity effect induced by Fe results in a splitting of 10 meV in the valence band at the Γ point of the 3MLs MgO structure while it is negligible for the 7MLs MgO structure. 2. we research the anisotropic optical characterization of a group IV-V compound, Germanium Arsenic (GeAs), with anisotropic monoclinic structure. The in-plane anisotropic optical nature of GeAs crystal is further investigated by the polarization-resolved absorption spectroscopy (400-2000 nm) and the polarization-sensitive photodetectors. In the visible-to-near-infrared range, the 2D GeAs nanoflakes demonstrate the distinct perpendicular optical reversal with an angle of 75~80 degrees on both of the linear dichroism and the polarization-sensitive photodetection. Obvious anisotropic features and the high dichroic ratio of Ipmax/Ipmin ~ 1.49 at 520 nm and Ipmax/Ipmin ~ 4.4 at 830 nm are measured by the polarization-sensitive photodetection. The polarization-dependent photocurrent mapping implied that the polarized photocurrent mainly occurred at the Schottky photodiodes at the electrode/GeAs interface. 3. We research optical characterizations of group-IV-VI compounds like SnS and ZnSnS alloys. SnS nanosheets exhibit carrier mobility of 37.75 cm²·V⁻¹·s⁻¹, photoresponsivity of 310.5 A/W and external quantum efficiency of 8.56×104% at 450 nm. Optical absorption around the absorption edge presents obvious polarization sensitivity with the highest optical absorption dichroic ratio of 3.06 at 862 nm. Due to the anisotropic optical absorption, the polarized photocurrent appears upon the periodic change affected by the polarized direction of the incident light at 808 nm. The ZnSnS alloys combine the advantageous optical parameters of SnS and ZnS₂, which belong to the direct band structure of n-type 2D semiconductors. The carrier mobility of the alloy is 65 cm² V⁻¹ S⁻¹ and the on/off ratio under white-LED illumination is as high as 51.
Les semi-conducteurs bidimensionnels possèdent de nombreuses propriétés fonctionnelles intéressantes telles qu’électriques, optiques, magnétiques, thermiques etc., qui permettent des applications potentielles notamment dans les dispositifs optoélectroniques ultraminces, transparents et hautement intégrés. La synthèse de nouveaux matériaux bidimensionnels et l’exploration de leurs performances optimales, ainsi que le développement de leurs applications font l’objet d’une intense activité de recherche dans le domaine des matériaux. Cette thèse s’inscrit dans la recherche de nouveaux matériaux bidimensionnels. Un premier axe vise à injecter un courant polarisé en spin dans une structure semi-conductrice bidimensionnelle à base de MoS₂ en vue de contrôler la polarisation de l’émission optique. L’objectif est ici d’élaborer une couche ferromagnétique de CoFeB à aimantation perpendiculaire capable d’injecter des électrons polarisés sans champ magnétique, et sur une grande surface. L’obtention de tels émetteurs optique polarisés doit s’accompagner du développement de photodétecteurs de lumière polarisée à base de matériaux bidimensionnels. C’est l’objet des deux autres axes de cette thèse dans lesquels la photo-détection basée sur les nouveaux semi-conducteur GeAs et des alliages d’éléments des groupes IV-VI tels que SnS et ZnSnS est étudiée. Concernant l’injecteur de spin, on s’intéresse à la fabrication des structures Ta/CoFeB/MgO ayant une large anisotropie magnétique perpendiculairement à l’axe de croissance. Un point important est la réalisation d’un dépôt homogène couvrant toute la surface de la monocouche de MoS₂ sous-jacente, constituant l’émetteur de lumière. En optimisant l’épaisseur de la couche de CoFeB et la température du recuit, on obtient une grande énergie d’anisotropie magnétique perpendiculaire valant 0.975 mJ/m². Par l’analyse des propriétés structurales et chimiques de l’hétérostructure, il est montré que l’insertion de MgO entre le métal ferromagnétique et le matériau bidimensionnel peut efficacement bloquer la diffusion des atomes du ferromagnétique. Il est également montré que la couche de Ta joue un rôle critique « d’absorption » des atomes de B de la couche de CoFeB ce qui induit l’aimantation perpendiculaire. D’après les calculs ab initio, l’épaisseur de MgO peut être ajustée pour modifier la structure de bande de MoS₂, allant d’un gap indirect avec pour une couche de MgO de 7 monocouches (MCs) à un gap direct pour une couche de MgO de 3 MCs. L’effet de proximité introduite par le Fe conduit à une modification de la bande de valence au point Γ pour 3 MCs, alors que celle-ci est négligeable pour 7 MCs. Afin d’obtenir un photodétecteur sensible à la polarisation, on s’intéresse à des cristaux ayant une structure anisotrope. La nature anisotrope intra-planaire du cristal IV-V de GeAs est investiguée par spectrométrie d’absorption résolue en polarisation entre 400 et 2000 nm. Les échantillons nanométriques bidimensionnels obtenus de GeAs démontrent bien un dichroïsme linéaire et une photo-détection sensible à la polarisation. Les ratios dichroïques obtenus par des mesures de photocourant atteignent des valeurs élevées de Ipmax/Ipmin ~ 1.49 à 520 nm et de Ipmax/Ipmin ~ 4.4 à 830 nm. Les cartographies de photo-courant suggèrent que la dépendance du courant avec la polarisation trouve son origine majoritairement aux interfaces électrode/GeAs qui présentent un caractère de type Schottky. Des alliages à base d’éléments des groupes IV-VI tels que SnS et ZnSnS ont également été caractérisés. Il est démontré que SnS présente une mobilité des porteurs valant 37,75 cm²•V⁻¹•S⁻¹ et une photo-réponse de 310,5 A/W. En raison de l’absorption optique anisotrope, le photo-courant est dépendant de la direction de polarisation de la lumière incidente, émise à 808 nm. L’absorption optique en bord d’absorption présente une sensibilité à la polarisation avec le plus haut ratio dichroïque atteint valant 3,06 à 862 nm. alliage ZnSnS bidimensionnel est un semi-conducteur à gap direct et est donc à fort potentiel pour les applications en optique. Il est de type n. La mobilité des porteurs est de 65 cm²•V-⁻¹•S⁻¹, et le ratio on/off sous l’illumination par une lumière blanche de type LED est élevé et atteint 51.
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tel-03417249 , version 1 (05-11-2021)

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  • HAL Id : tel-03417249 , version 1

Cite

Ziqi Zhou. Optical and Electrical Properties of Two-Dimensional Materials. Physics [physics]. Université de Lorraine; University of Chinese academy of sciences, 2021. English. ⟨NNT : 2021LORR0141⟩. ⟨tel-03417249⟩
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