Optimisation des dispositifs à base de matériaux 2D. Comment visualiser in situ les champs électriques pour booster les performances des LEDs de demain

Les matériaux 2D sont d’excellents candidats pour l’émission de lumière dans des composants de type LED. De plus, assembler plusieurs de ces matériaux, aux propriétés différentes (métal, isolant, semi-conducteur), permet théoriquement d’obtenir des composants complexes combinant les propriétés en question. Pour fonctionner, ces composants doivent être reliés à des électrodes. Mais où, exactement, appliquer la tension électrique ?
Afin de répondre à cette question, une équipe de l'institut des NanoSciences de Paris a utilisé la ligne de lumière ANTARES pour sonder operando la distribution du champ électrique au sein d’une hétérostructure composée de deux semiconducteurs.

Les matériaux 2D tels que les dichalcogénures de métaux de transition (comme le MoS₂, le WSe₂ et toute la gamme de matériaux dérivés), présentent des effets excitoniques exacerbés (un fort couplage coulombien entre la paire électron-trou) qui font d’eux d’excellents candidats pour l’émission de lumière dans des composants de type diode électroluminescente (LED). Le second intérêt de cette famille de matériaux réside dans leur capacité à être assemblés sans contrainte d’épitaxie. Il est donc théoriquement possible de combiner ces matériaux aux propriétés variées (métal, isolant, semiconducteur à gap variable) pour fabriquer des composants complexes. L’ensemble est finalement relié à des électrodes, dont le rôle est d’injecter des charges ou de modifier le profil de potentiel. Reste une question cruciale : la tension doit être appliquée au bon endroit ! Or, dans ces structures, le profil énergétique est influencé par les effets de bord, le dopage, l’épaisseur des feuillets, les défauts, et bien sûr les interfaces. Dans cette étude, une équipe de l’INSP a utilisé la ligne ANTARES pour sonder operando la distribution du champ électrique au sein d’une hétérostructure composée de deux semiconducteurs.

Dans les dispositifs optoélectroniques, les électrodes servent à injecter le courant ou l’énergie nécessaire au fonctionnement du composant. Dans le cas des LEDs, l’application d’une polarisation est essentielle pour injecter des trous dans la bande de valence, tandis que les électrons sont injectés de manière résonante dans la bande de conduction. Lorsque ces règles de conservation de l’énergie sont satisfaites, les charges peuvent être injectées dans le semiconducteur optiquement actif, permettant ainsi l’émission de lumière. Cependant, la tension de seuil d’une LED peut être significativement plus élevée que la largeur de bande interdite du matériau si un champ électrique est également appliqué au matériau intermédiaire situé entre l’électrode et la couche optiquement active. Cela entraîne des pertes d’efficacité énergétique, qu’il est nécessaire de limiter. Par conséquent, la localisation du champ électrique est cruciale, et des outils permettant de mesurer la distribution du champ operando sont indispensables.

Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé le nanofaisceau de rayons X de la ligne ANTARES, qui agit comme une sonde locale du paysage électrostatique. En pratique, le faisceau synchrotron est d’abord focalisé à l’aide d’une lentille de Fresnel, comme illustré sur la figure 1, générant une tache de 700 nm au niveau de l’échantillon. L’échantillon est ensuite balayé perpendiculairement pour créer une image. Pour chaque point, un spectre de photoémission est acquis, permettant aux chercheurs de suivre le décalage d’un niveau de cœur donné lors de l’application d’une polarisation. Ce qui rend cette méthode particulièrement pertinente pour les hétérostructures de van der Waals est sa sélectivité atomique, qui permet de suivre le potentiel subi par différents matériaux, à condition que leurs compositions diffèrent d’au moins un atome.

Figure 1 : Schéma d’une mesure de photoémission operando réalisée sur un dispositif composé d’une hétérostructure de van der Waals. Un faisceau de rayons X mous issu du synchrotron SOLEIL est focalisé sur l’échantillon à l’aide d’une lentille de Fresnel et d’un diaphragme (pinhole), ce qui génère une tache focale de 700 nm. Cette tache peut être balayée sur la surface de l’échantillon. Pour chaque point, un spectre de photoémission relatif à un élément donné est acquis, et son énergie de liaison est suivie lors de l’application d’une tension.

Dans cette étude, la méthode a été appliquée à une hétérostructure semiconductrice composée de WS₂ et MoSe₂. Étant donné que ces matériaux diffèrent par leur mobilité et leur densité de porteurs, leurs conductivités peuvent varier de manière significative. Dans la région de chevauchement, deux cas extrêmes peuvent être anticipés :

Un scénario de type matériau massif, où le potentiel subit un gradient relativement insensible à la présence d’une interface.
Un scénario où une couche impose son potentiel, et la chute de tension est entièrement accumulée sur le second matériau.

Les échantillons ont été préparés par exfoliation au ruban adhésif des feuillets et par photolithographie conventionnelle pour les électrodes, garantissant que la fabrication du dispositif n’est pas spécifique à la configuration expérimentale. La microscopie Raman peut être utilisée pour identifier les différents flocons au sein de l’hétérostructure, comme le montre la figure 2a.

Les mesures de microscopie de photoémission en balayage (SPEM) révèlent que, dans l’hétérostructure ciblée, l’interface entre les flocons n’accumule pas la chute de tension, contrairement aux contacts (les mesures révèlent également la présence d’une barrière Schottky). Les résultats démontrent également que des effets de grille sont possibles dans de telles hétérostructures (Figure 2b) et peuvent ajuster le potentiel des flocons supérieur et inférieur. La forme des flocons et la localisation des électrodes influencent clairement l’ampleur du décalage énergétique induit par la grille, soulignant la nécessité d’une conception géométrique soignée du dispositif pour maximiser son efficacité.

Figure 2 : Microscopie corrélative entre la cartographie Raman et la cartographie de photoémission. a. Carte d’intensité des modes Raman du mode 2LA du WS₂ et du mode A₁g du MoSe₂, mettant en évidence la localisation des flocons de WS₂ et de MoSe₂ par rapport aux électrodes de drain et de source. La barre d’échelle est longue de 5 µm. b. Carte composite des décalages énergétiques induits par une polarisation de grille de +5 V., obtenue en fusionnant les signaux des niveaux de cœur W 4f et Se 3d.

La prochaine étape consistera à étendre ce type d’étude à d’autres matériaux 2D présentant une asymétrie plus marquée de conductivité, tels que les hétérostructures de van der Waals métal-semiconducteur. Les résultats de ces études permettront d’identifier des règles de conception et de fabrication pour maximiser les effets de l’application d’une polarisation.