Quantum transport of holes in WSe2 monolayers under high magnetic field
Transport quantique des trous dans une monocouche de WSe2 sous champ magnétique intense
Résumé
Transition metal dichalcogenides are made up of a stack of atomic monolayers bound together by weak Van der Waals interactions. When a single layer of this material is isolated, the crystal inversion symmetry is broken, leading to the degeneracy lifting of the electronic states having different spins in the presence of strong spin-orbit coupling. The effective Landé factor (g*) which arises in the Zeeman energy is a parameter which characterizes, among others, the band-structure of the material. It is exceptionally large in WSe_2 monolayers thanks to the presence of heavy tungsten atoms as well as electronic interactions. Its experimental determination through electrical resistance measurements under intense magnetic field constitutes the objective of this thesis. First, WSe_2 monolayers are produced by mechanical exfoliation of the mother material and their electrical addressing at the micrometric scale is achieved by clean room processes involving electron-beam lithography. Their magneto-resistance is studied under extreme conditions of low temperature and high magnetic field. The charge carrier density, holes in the thesis, can be varied in situ thanks to field effect. In WSe_2 monolayers, the quantization of the Landau level energy modified by the Zeeman effect is revealed by the presence of complex magneto-resistance oscillations (Shubnikov-de Haas oscillations). A dedicated theoretical model, where disorder is introduced through a Gaussian broadening of the Landau levels, is necessary for a quantitative understanding of the experimental results. The components of the resistivity tensor are simulated by this model where the main fitting parameters are the electronic mobility, the mobility edge of the Landau levels and the effective Landé factor. The fitting of the experimental results allows the extraction of g* for a hole density ranging from 5.10^12 to 7.5.10^12 cm^-2, which follows the trend reported in the literature. Beyond the innovative approaches in terms of experimental conditions and modelling, this study confirms the importance of electronic interactions in understanding the electronic properties of this material.
Les dichalcogénures des métaux de transition sont constitués d'un empilement de monocouches atomiques liées entre elles par des liaisons faibles de type Van der Waals. Lorsqu'une monocouche de ce matériau est isolée, la symétrie d'inversion du cristal est brisée et la présence d'un couplage spin-orbite fort introduit une levée de dégénérescence des états électroniques ayant des spins différents. Le facteur de Landé effectif (g*) qui intervient dans l'énergie Zeeman est un paramètre qui caractérise, entre autres, la structure de bande du matériau. Il est exceptionnellement grand dans le système WSe_2 en raison de la présence de tungstène et des interactions électroniques. Sa détermination au travers des mesures de résistance électrique sous champ magnétique intense est l'objet de cette thèse. Dans un premier temps, des monocouches de WSe_2 sont produites par l'exfoliation mécanique du matériau massif et leur adressage électrique à l'échelle micrométrique est réalisé par des procédés technologiques de salle blanche impliquant la lithographie électronique. La magnétorésistance des échantillons produits est ensuite étudiée dans des conditions extrêmes de basse température et de champ magnétique intense. La densité de porteur de charges, des trous dans le cas cette thèse, peut être ajustée in-situ par effet de champ. Dans les monocouches de WSe_2, la quantification de l'énergie des niveaux de Landau modifiée par l'effet Zeeman est révélée par la présence d'oscillations complexes de la magnéto-résistance (oscillations de Shubnikov-de Haas). Le développement d'un modèle théorique dédié, où le désordre est pris en compte par un élargissement Gaussien des niveaux de Landau, est nécessaire afin d'interpréter quantitativement les résultats expérimentaux. Il simule l'évolution des composantes du tenseur de résistivité où les paramètres d'ajustement sont la mobilité électronique, l'énergie des bords de mobilité des niveaux de Landau ainsi que le facteur de Landé effectif. L'ajustement théorique aux résultats expérimentaux permet d'extraire l'évolution de g* des trous en fonction de leur densité dans une gamme variant de 5.10^12 à 7,5.10^12 cm^-2, qui s'inscrit dans la continuité des résultats issus de la littérature. Au-delà des approches novatrices sur le plan des conditions expérimentales et de modélisation, cette étude confirme l'importance des interactions électroniques dans la compréhension des propriétés électroniques de ce matériau.
Origine : Version validée par le jury (STAR)