Modelling optical and plasmonic responses of 2D materials

Résumé

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.

la date de réponse	2022
langue originale	Anglais
L'institution diplômante	Universite de Namur
Sponsors	Université de Namur
Superviseur	Luc Henrard (Promoteur), Olivier Deparis (Copromoteur), Robert Sporken (Président), Benoit Hackens (Jury), Jean-Christophe Charlier (Jury) & Pascal Kockaert (Jury)