Défense de thèse de doctorat en sciences physique
"Modelling optical and plasmonic responses of 2D Materials", par Bruno Majérus.
Date : 11/10/2022 14:00 - 11/10/2022 17:00
Lieu : S01
Orateur(s) : Bruno MAJÉRUS
Organisateur(s) : Luc HENRARD
Jury
- Prof. Robert SPORKEN (département de physique, UNamur), président
- Prof. Luc HENRARD (département de physique, UNamur), promoteur et secrétaire
- Prof. Olivier DEPARIS (département de physique, UNamur), co-promoteur
- Prof. Benoît HACKENS (Ecole Polytechnique de Louvain, UCLouvain)
- Prof. Pascal KOCKAERT (Ecole polytechnique de Bruxelles, ULB)
- Prof. Jean-Christophe CHARLIER (Ecole Polytechnique de Louvain, UCLouvain)
Résumé
Modélisation de la réponse optique et plasmonique des matériaux 2D
Les matériaux bi-dimensionnel (ou 2D), composés d’un ou quelques atomes d’épaisseur, sont étudiés intensivement depuis leur découverte en 2004 pour leurs propriétés électroniques et optiques uniques, permettant d’entrevoir des applications dans divers domaines. Par exemple le graphène en tant que matériau transparent conducteur pourrait être intégré dans des dispositifs électro-optiques (panneaux solaires, smartphones, ...). D’un autre côté, certains dichalcogénures de métal de transition tel que le diséléniure de molybdène sont des semi-conducteurs 2D qui pourraient se substituer aux semi-conducteurs conventionnels. Dans ces matériaux 2D, des excitations électroniques collectives, les plasmons, peuvent également être observés. Ces phénomènes de résonance entre la lumière et les électrons libres, sont à l’origine d’un confinement intense de l’énergie électromagnétique autour des structures 2D de taille nanométrique. Une telle localisation rend possible le design de guides d’ondes optique bien plus petits que ceux en verre ou encore la création de biosenseurs de grande sensibilité.
Pour étudier ces propriétés optiques des matériaux 2D et en particulier l’excitation des plasmons, les méthodes d’électrodynamique adaptées aux matériaux tri-dimensionnels sont utilisées par les chercheurs. Cependant, des questions fondamentales se posent sur la manière adéquate de modéliser ces matériaux d’épaisseur atomique. Faut-il leur attribuer une épaisseur finie ou peut-on les modéliser comme une couche infiniment fine ? L’anisotropie des matériaux 2D joue-t-elle un rôle déterminant dans leur réponse optique ? Dans cette thèse, des éléments de réponse sont apportés en comparant analytiquement et numériquement les différents modèles utilisés et en les comparant aux résultats expérimentaux disponibles. Notamment il est montré que les modèles isotropes sont peu adaptés et que les modèles anisotropes sont relativement similaires que l’épaisseur soit considérée comme finie ou nulle tant que le déphasage de l’onde dû au feuillet 2D n’est pas trop important.
D’un autre côté, des nanostructures de matériaux 2D peuvent être étudiées dans un cadre quantique, en considérant la structure atomique du matériau et en résolvant de manière approximée l’équation de Schrödinger. La fonction diélectrique microscopique obtenue à partir de ces calculs permet d’étudier les plasmons dans ces nanostructures. Dans cette thèse, il est montré que du graphène corrugué peut contenir des plasmons localisés associés aux modifications de la topologie. Ces excitations plasmonique permettent à la surface d’exalter la réponse optique de certaines molécules de façon à ce qu’elles puissent être détectée même en quantité infime. Il est également prouvé théoriquement dans cette thèse que des plasmons peuvent se propager dans des joints de grains de diséléniure de molybdène. La caractérisation de ces matériaux et la détermination du nombre de défauts linéaires seraient donc possibles par l’observation de résonances plasmoniques.
Abstract
Modelling optical and plasmonic responses of 2D materials
Bidimensionnal (2D) materials, which are one or a few atoms thick, have been intensively studied since their discovery in 2004 for their unique electronic and optical properties, allowing to foresee applications in various fields. For example, graphene as a transparent conductive material could be integrated in electro-optical devices such as solar panels or smartphones. On the other hand, some transition metal dichalcogenides such as molybdenum diselenide are 2D semiconductors that could replace conventional semiconductors. In these 2D materials, collective electron excitations (plasmons) can also be observed. These phenomena of resonance between light and free electrons are at the origin of an intense confinement of the electromagnetic energy around 2D nanostructures. Such localization opens the path to design optical waveguides much smaller than those in glass or to create highly sensitive biosensors.
To study the optical properties of 2D materials and in particular plasmons, many electrodynamic methods adapted to tri-dimensional materials are commonly used. However, questions arise on the adequate modelling of these atomically thin materials. Should they be considered as homogeneous film with finite thickness or as an infinitely thin sheet? Does the anisotropy of 2D materials play a determining key role in their optical response? In this thesis, some answers are brought by comparing analytically and numerically the different models used. In particular, it is shown that isotropic models are not very well adapted and that anisotropic models of finite and infinitely thin thickness are relatively similar as long as the phase shift of the wave in the 2D film is not too important.
On the other hand, nanostructures of 2D materials can be studied by a quantum approach, considering the real atomic structure of the material and solving the Schrödinger equation in an approximate way. The microscopic dielectric function obtained from these calculations allows to study plasmons in these nanostructures. In this thesis, it is shown that corrugated graphene can sustain plasmons associated with the modification of the topology. Such plasmonic resonances allows these surfaces to exalt the optical response of some molecules such that they can be detected even in extremely small quantities. It is also theoretically proven in the thesis that plasmons can propagate in molybdenum diselenide grain boundaries. The characterization of these materials and the determination of the number of linear defects would thus be possible by the observation of plasmonic resonances.
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