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Étude en photoluminescence du phosphore noir bidimensionnel

Grégory Laflamme

Master's thesis (2021)

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Abstract

In 2004, a new interest in bidimensional material came to be. Three articles were published in the span of a month about the newly discovered exceptional properties of graphene. Since then, a lot of research has been focused on developing new devices using these 2D materials. They are defined as a single layer of atoms which is called a monolayer. The reduced dimensionality greatly modifies the electrical and optical properties of the material even for a few-layer crystal. Here, only one material is of interest: black phosphorus (BP). Phosphorus can adopt different structures depending on its fabrication process. BP is the most stable allotrope of all, even considering its high sensitivity to oxygen and water. The synthesis of a 2D flake is practically identical to that of graphene with graphite. They are both Van Der Waals solids. For that reason, BP is usually compared to graphene and transition metal dichalcogenide (TMDC) as well. What makes it special is its high anisotropy and its varying bandgap. Depending on the crystal direction, the effective mass of charge carriers and their mobility changes. One consequence would be linear dichroism which has already been measured. The highest hole mobility was measured up to 103 cm2V-1s-1 for a monolayer in the ZZ direction. For the bandgap, BP has the largest tunability with a value of ~2eV for a monolayer and ~0.33eV for bulk. Its intrinsic properties combined with external sensitivity give rise to interesting research. Black phosphorus has only been studied in its 2D form since 2014 and the research is still very active. The interest of this work is to study the properties of BP in its bulk form for infrared applications. With its direct bandgap, BP is a good candidate for a region of the spectrum that is in a dire need of better performing devices. The methodology consists of doing photoluminescent measurements in hope to better understand the mechanism of radiative and non-radiative pathways in this material. For a standard light-emitting diode (LED), Auger recombination is the limiting factor especially for smaller bandgaps. Here, it will serve as a starting hypothesis. All the samples, BP flakes, are exfoliated using micromechanical cleavage. This simple method thins the BP flakes using scotch-tape and they are transferred on the substrate afterwards. Temperature dependent measurements revealed the thermal activation of a non-radiative process at 49meV. A full spectrum containing an Urbach tail confirmed that it might be caused by defects in the material. Power measurements showed a lower PL efficiency at higher power at ambient temperature but not at a lower one.

Résumé

Les matériaux bidimensionnels ont eu un gain en popularité lorsque les propriétés exceptionnelles du graphène ont été démontrées en 2004. Depuis cette découverte, les matériaux 2D ont eu un essor fulgurent en science des matériaux. Par définition, ces matériaux consistent en un assemblage d'atome sur un plan. L'épaisseur est alors seulement d'une couche d'atomes. Les propriétés causées par cette dimensionnalité réduite peuvent toutefois être observées jusqu'à plusieurs couches. Parmi la panoplie de possibilité, un matériau récent attire l'attention : le phosphore noir (BP). Le phosphore monoatomique a plusieurs formes, l'allotrope noir étant le plus stable d'entre tous. C'est un cristal de Van Der Waals tout comme le graphite, donc les méthodes de fabrication sont très similaires. Par rapport aux autres matériaux du même genre, le phosphore noir est souvent comparé aux dichalcogénure de métaux de transitions (TMDC) et au graphène. Dans cette optique, il se différencie par sa forte anisotropie et sa bande interdite. Son anisotropie offre une masse effective et une mobilité dépendante de la direction cristalline. Comme tous les matériaux 2D, le phosphore noir voit ses propriétés électriques et optiques changer selon le nombre de couche. Sa bande interdite varie entre celle du graphène et des TMDC offrant un domaine d'applications dans l'infrarouge. En effet, sous forme massive, son gap est d'environ 0,33eV. L'étude du phosphore noir bidimensionnel n'a débuté que depuis 2014, donc la recherche est encore très active. Ce mémoire vise à étudier les propriétés du phosphore noir massif en vue de son application dans des dispositifs infrarouges. En effet, sa bande interdite directe pourrait offrir de bonnes performances dans un domaine spectral ayant peu de candidats. L'objectif est de déterminer les mécanismes non radiatifs limitant son efficacité. La méthodologie consiste à prendre des mesures en photoluminescence à plus hautes densité de porteur. Dans le cas de diode électroluminescente (DEL), la recombinaison Auger est le mécanisme limitant et particulièrement pour petit gap comme le BP. C'est l'hypothèse de départ. La fabrication des échantillons est faite par exfoliation mécanique. Il s'agit d'utiliser du ruban adhésif pour amincir et transférer le BP sur un substrat. Les mesures d'intensité de PL en fonction de la température ont révélé l'activation thermique d'un mécanisme non radiatif à une énergie de 49meV. Les mesures de spectres contenant une queue Urbach porte à croire qu'il y a présence de défauts dans le matériau. Des séries de puissance permettent l'observation de la diminution d'efficacité à haute densité de porteur à température ambiante, mais moins à une température inférieure.

Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Stéphane Kéna-Cohen
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10000/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 27 Apr 2022 11:38
Last Modified: 07 Apr 2024 03:58
Cite in APA 7: Laflamme, G. (2021). Étude en photoluminescence du phosphore noir bidimensionnel [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10000/

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