Cartographier à l’échelle nano l’électroluminescence d’un semiconducteur bidimensionnel

Grâce à leur structure électronique particulière, les monofeuillets de dichalcogénures de métaux de transition, tel que le diséléniure de molybdène MoSe2, absorbent et émettent très facilement la lumière. Ces matériaux semiconducteurs bidimensionnels sont ainsi très attractifs pour la fabrication de nanodispositifs tels que des capteurs optiques, des cellules photovoltaïques ou des sources de lumière ultra-miniaturisées. Dans ce contexte, il est essentiel de comprendre précisément comment, à l’échelle nanométrique, une excitation électrique induit une émission de lumière. C’est ce qu’on fait des physiciens de l’Institut des sciences moléculaires d’Orsay (ISMO, CNRS/Univ. Paris-Sud) et de l’Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg (IPCMS, CNRS/Univ. Strasbourg) en analysant la luminescence d'un monofeuillet de MoSe2 déposé sur une électrode transparente conductrice (en oxyde d’indium-étain) et excité localement par les électrons provenant de la pointe d’un microscope à effet tunnel (STM). Ils ont montré que cette luminescence est due à la relaxation d’excitons, des « quasi atomes » qui se forment dans les semiconducteurs par association d’un électron et d’un trou. Ce mécanisme est différent de ceux proposés lors de précédentes études effectuées en microscopie à effet tunnel. La lumière y était émise suite à un couplage avec les plasmons de surface, des modes d’oscillations collectives des électrons à la surface d’un métal, qui étaient propres au substrat utilisé et à la pointe du STM, c’est-à-dire un artefact. En utilisant uniquement des matériaux qui n’ont pas de plasmons de surface dans la gamme spectrale étudiée, les scientifiques ont supprimé cet artefact et observé la luminescence « naturelle » du semi-conducteur. Tout l’intérêt de cette technique est de permettre l’étude des excitons à l’échelle nanométrique, c’est-à-dire de pouvoir relier les propriétés de ces excitons à la géométrie locale du semiconducteur (défauts, plis, bords de domaines) à une échelle bien plus petite (10 nm) que la longueur d’onde de la lumière émise (800 nm). Cela peut notamment permettre de concevoir de nouveaux dispositifs électroluminescents à base de semiconducteurs bidimensionnels.