Contact :  Emmanuel Baudin

Ces études sont menée en collaboration avec le groupe de physique mésoscopique du LPENS. Les mesures de transport et d’optique apportent des informations complémentaires sur les processus hors-équilibre dans les nanostructures. De plus, de nombreuses applications dans le domaine de l’optoélectronique combinent ces deux types de techniques expérimentales. Pour ce faire un dispositif expérimental dédié a été conçu pour permettre l’étude de la relaxation d’énergie électronique dans des milieux 2D. Ce dispositif permet de combiner mesures de transport électronique DC ou RF et de photo (électro)-luminescence ou de diffusion Raman tout en autorisant des mesures de photo-conduction.

Nous nous sommes intéressés à des échantillons de haute mobilité (déposés sur h-BN) de façon à atteindre le domaine où la diffusion par phonons optiques devient prépondérante. En fait la relaxation de l’énergie se produit par couplage des électrons du graphène avec le champ évanescent des modes polaires du substrat. En particulier dans le cas de BN du fait de sa forte anisotropie, les modes de phonon-polariton deviennent hyperboliques (HPP) dans ses deux bandes de Reststrahlen (100 and 170-200 meV). Ils sont donc très couplés aux électrons du graphène grâce à l’augmentation spectaculaire de la densité d’état (par rapport à l’espace libre) dans ces bandes HPP (régime super-Planckien). De plus quand le transistor fonctionne au-delà du régime de saturation (domaine de Zener-Klein) une population notable de paires électron-trou pair existe qui se couple aisément aux HPPs. Ce couplage assure un refroidissement remarquablement efficace de la population électronique qui surpasse le réchauffement Joule : en conséquence, étrangement, la température électronique décroît alors quand on augmente la tension de polarisation du transistor.

Ref : W. Yang et al., Nature Nanotechnology 13, 47 (2018)

Dans le graphène le couplage électron-phonon est assez particulier. En premier lieu, comme la liaison chimique n’est pas polaire, seul le potentiel de déformation peut intervenir pour éliminer l’excès d’énergie du gaz d’électron. Ensuite, du fait de la faiblesse de la masse des atomes de carbone et de la rigidité de la double liaison C-C, les phonons optiques possèdent une énergie très importante (170-200 meV). De plus la structure de bande particulière (cônes de Dirac) introduit des restrictions importantes de l’espace de phase disponible pour autoriser les diffusions électron-phonon. Les électrons dans le graphène sont donc relativement découplés du réseau cristallin et de très hautes températures électroniques peuvent être obtenues sous excitation électrique ou optique.
Nous avons étudié ces processus de relaxation en combinant différentes mesures (spectroscopie de bruit Johnson-Nyquist, émission de corps noir, spectroscopie Raman) ce qui nous a permis d’identifier les canaux de perte d’énergie dans différents régime de fonctionnement, que ce soit en faisant varier le dopage de l’échantillon et la tension de polarisation.
Nous avons tout d’abord étudié le couplage aux phonons acoustiques qui intervient à des températures modérées et est caractérisé, sous la température de Bloch Grüneisen, par une loi en T4. A plus haute température, du à des limitations de l’espace de phase, il est prévu une saturation de ce mécanisme. Cependant nous avons montré que dans la plupart des cas, un mécanisme extrinsèque de diffusion assistée par des défauts permet de surmonter cette saturation.

Ref. : A. Betz et al. Phys. Rev. Lett. 109, 056805 (2012)

Les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) sont des semi-conducteurs bi-dimensionnels exfoliables. Leur structure cristalline partage certaines similarités avec celles du graphene et du nitrure de bore (hBN), ce qui permet de les assembler en hétérostructures artificielles avec un contrôle atomique de l’épaisseur tout en utilisant des tehniques de laboratoire simples et peu coûteuses.

Nous étudions plus particulièrement les composés à base de platine et de paladium dont le gap prédit par les modèles théoriques est la fois petit (adapté à la détection infra-rouge) et modulable en fonction de l’épaisseur des couches. Combiné à d’autres TMD avec lesquels un alignement de bandes de type II est observé et avec des électrodes de graphene permettant le transport des charges, ces hétéro-structures doievent permettre de réaliser des photo-détecteurs infra-rouge bi-dimensionnels ultra-rapides. Ce projet a reçu le soutien d’un contrat de recherche à l’ANR (projet BIRDS) , en collaboration avec Thalès TRT et le PICM à l’Ecole Polytechnique de Palaiseau.