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2. 0D/2D Heterostructures Vertical Single Electron Transistor

Author

L. Simon, Ulrich Nguétchuissi Noumbé, Louis Donald Notemgnou Mouafo, Walid Baaziz, Florian Godel, Bernard Doudin, Ovidiu Ersen, Pierre Seneor, Marie-Blandine Martin, Stéphane Berciaud, Bruno Dlubak, Etienne Lorchat, Jean-Francois Dayen, Yannick J. Dappe, Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Matériaux et nanosciences d'Alsace (FMNGE), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA), Unité mixte de physique CNRS/Thales (UMPhy CNRS/THALES), THALES-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Service de physique de l'état condensé (SPEC - UMR3680), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut de chimie et procédés pour l'énergie, l'environnement et la santé (ICPEES), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et Nanosciences Grand-Est (MNGE), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique, Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), THALES [France]-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut de Science des Matériaux de Mulhouse (IS2M), Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et Nanosciences Grand-Est (MNGE), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique, Laboratoire des Matériaux, Surfaces et Procédés pour la Catalyse (LMSPC), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et Nanosciences Grand-Est (MNGE), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et Nanosciences Grand-Est (MNGE), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), ANR-19-CE09-0028,MIXES,Hétérostructures de van der Waals à dimensions mixtes pour l'électronique et la spintronique(2019), ANR-19-CE24-0022,COPIN,Détecteur plasmonique à nanoCristaux colloïdaux: une nouvelle filière pour l'OPtoélectronique INfrarouge(2019), ANR-19-CE24-0015,STEM2D,Emetteurs THz de type synchrotron à base de matériaux 2D ondulés(2019), ANR-19-GRF1-0001,SOgraphMEM,Spin Orbit functionalized GRAPHene for resistive-magnetic MEMories(2019), ANR-11-LABX-0058,NIE,Nanostructures en Interaction avec leur Environnement(2011), ANR-10-LABX-0035,Nano-Saclay,Paris-Saclay multidisciplinary Nano-Lab(2010), ANR-10-IDEX-0002,UNISTRA,Par-delà les frontières, l'Université de Strasbourg(2010), univOAK, Archive ouverte, Hétérostructures de van der Waals à dimensions mixtes pour l'électronique et la spintronique - - MIXES2019 - ANR-19-CE09-0028 - AAPG2019 - VALID, Détecteur plasmonique à nanoCristaux colloïdaux: une nouvelle filière pour l'OPtoélectronique INfrarouge - - COPIN2019 - ANR-19-CE24-0022 - AAPG2019 - VALID, Emetteurs THz de type synchrotron à base de matériaux 2D ondulés - - STEM2D2019 - ANR-19-CE24-0015 - AAPG2019 - VALID, Spin Orbit functionalized GRAPHene for resistive-magnetic MEMories - - SOgraphMEM2019 - ANR-19-GRF1-0001 - FLAG-ERA JTC 2019 - VALID, Nanostructures en Interaction avec leur Environnement - - NIE2011 - ANR-11-LABX-0058 - LABX - VALID, Paris-Saclay multidisciplinary Nano-Lab - - Nano-Saclay2010 - ANR-10-LABX-0035 - LABX - VALID, Initiative d'excellence - Par-delà les frontières, l'Université de Strasbourg - - UNISTRA2010 - ANR-10-IDEX-0002 - IDEX - VALID, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et nanosciences d'Alsace (FMNGE), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique, and Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Matériaux et nanosciences d'Alsace (FMNGE)

Subjects
Materials science, 2D heterostructures, single electron transistors, [SPI.NANO] Engineering Sciences [physics]/Micro and nanotechnologies/Microelectronics, 02 engineering and technology, 010402 general chemistry, 01 natural sciences, Nanoclusters, Biomaterials, nanoelectronics, Condensed Matter::Materials Science, Electric field, Electrochemistry, [PHYS.COND]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat], [SPI.NANO]Engineering Sciences [physics]/Micro and nanotechnologies/Microelectronics, ComputingMilieux_MISCELLANEOUS, [PHYS]Physics [physics], Spintronics, business.industry, Electric potential energy, transition metal dichalcogenides, Coulomb blockade, Heterojunction, 021001 nanoscience & nanotechnology, Condensed Matter Physics, 0104 chemical sciences, Electronic, Optical and Magnetic Materials, Nanoelectronics, Quantum dot, Optoelectronics, nanoparticles, multifunctional materials, 0210 nano-technology, business, [PHYS.COND] Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]
Abstract

Mixed-dimensional heterostructures formed by the stacking of 2D materials with nanostructures of distinct dimensionality constitute a new class of nanomaterials that offers multifunctionality that goes beyond those of single dimensional systems. An unexplored architecture of single electron transistor (SET) is developed that employs heterostructures made of nanoclusters (0D) grown on a 2D molybdenum disulfide (MoS2) channel. Combining the large Coulomb energy of the nanoclusters with the electronic capabilities of the 2D layer, the concept of 0D–2D vertical SET is unveiled. The MoS2 underneath serves both as a charge tunable channel interconnecting the electrode, and as bottom electrode for each v-SET cell. In addition, its atomic thickness makes it thinner than the Debye screening length, providing electric field transparency functionality that allows for an efficient electric back gate control of the nanoclusters charge state. The Coulomb diamond pattern characteristics of SET are reported, with specific doping dependent nonlinear features arising from the 0D/2D geometry that are elucidated by theoretical modeling. These results hold promise for multifunctional single electron device taking advantage of the versatility of the 2D materials library, with as example envisioned spintronics applications while coupling quantum dots to magnetic 2D material, or to ferroelectric layers for neuromorphic devices.

Published
2021
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3. Electronic band gap of van der Waals α-As2Te3 crystals

Author

Julien Chaste, Jean-Christophe Girard, Julien E. Rault, Jean-Francois Dayen, Gilles Patriarche, Fabrice Oehler, Demetrio Logoteta, Federico Bisti, Marco G. Pala, Charlie Gréboval, Abdelkarim Ouerghi, Debora Pierucci, Ulrich Nguétchuissi Noumbé, Emmanuel Lhuillier, Lama Khalil, Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), ALBA Synchrotron light source [Barcelone], Physico-chimie et dynamique des surfaces (INSP-E6), Institut des Nanosciences de Paris (INSP), Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Matériaux et nanosciences d'Alsace (FMNGE), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA), Synchrotron SOLEIL (SSOLEIL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), ANR-19-CE09-0026,GRaSkop,Tuning Giant Rashba Spin-Orbit Coupling in Polar Single Layer Transition Metal Dichalcogenides(2019), ANR-18-CE24-0007,MAGICVALLEY,Polarisation de vallée induite par couplage d'échange magnétique dans les matériaux 2D à grande échelle(2018), ANR-17-CE24-0030,RhomboG,Propriétés electroniques de couches minces de graphite rhombohedrique(2017), European Project: 756225,blackQD, Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et Nanosciences Grand-Est (MNGE), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique, Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et nanosciences d'Alsace (FMNGE), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique, lhuillier, emmanuel, Tuning Giant Rashba Spin-Orbit Coupling in Polar Single Layer Transition Metal Dichalcogenides - - GRaSkop2019 - ANR-19-CE09-0026 - AAPG2019 - VALID, APPEL À PROJETS GÉNÉRIQUE 2018 - Polarisation de vallée induite par couplage d'échange magnétique dans les matériaux 2D à grande échelle - - MAGICVALLEY2018 - ANR-18-CE24-0007 - AAPG2018 - VALID, Propriétés electroniques de couches minces de graphite rhombohedrique - - RhomboG2017 - ANR-17-CE24-0030 - AAPG2017 - VALID, and ERC blackQD - blackQD - 756225 - INCOMING

Subjects
Materials science, Physics and Astronomy (miscellaneous), As2Te3, Scanning tunneling spectroscopy, Stacking, 02 engineering and technology, 010402 general chemistry, 01 natural sciences, symbols.namesake, Scanning transmission electron microscopy, Anisotropy, Spectroscopy, Field Effect Transistor, Electronic Transport, business.industry, 021001 nanoscience & nanotechnology, Electronic Band Gap, [PHYS.COND.CM-MS] Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], 0104 chemical sciences, Semiconductor, Chemical physics, symbols, [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], van der Waals force, Photonics, 0210 nano-technology, business
Abstract

International audience; van der Waals materials offer a large variety of electronic properties depending on chemical composition, number of layers, and stacking order. Among them, As2Te3 has attracted attention due to the promise of outstanding electronic properties, and high photo-response. Precise experimental determinations of the electronic properties of As2Te3 are yet sorely needed for better understanding of potential properties and device applications. Here, we study the structural and electronic properties of α-As2Te3. Scanning transmission electron microscopy coupled to energy X-ray dispersion (STEM-EDX), and micro-Raman spectroscopy all confirm that our specimens correspond to α-As2Te3. Scanning tunneling spectroscopy (STS) at 4.2K demonstrates that α-As2Te3 exhibits an electronic band gap of about 0.4 eV. The material can be exfoliated, revealing the (100) anisotropic surface. Transport measurements on a thick exfoliated sample (bulk-like) confirm the STS results. These findings allows for a deeper understanding of the As2Te3 electronic properties, underlying the potential of V-VI semiconductors for electronic and photonic technologies.

Published
2021
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4. Electrical read-out of light-induced spin transition in thin film spin crossover/graphene heterostructures

Author

Aditya Singh, Arnaud Brosseau, Talal Mallah, Nikita Konstantinov, Ulrich Nguétchuissi Noumbé, Bohdan Kundys, Bernard Doudin, Hicham Majjad, Marie-Laure Boillot, Jean-Francois Dayen, Stéphane Berciaud, Marc Lenertz, Arthur Tauzin, Diana Dragoe, Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Matériaux et nanosciences d'Alsace (FMNGE), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA), Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay (ICMMO), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay (ENS Paris Saclay), Indian Institute of Technology Delhi (IIT Delhi), Institut Universitaire de France (IUF), Ministère de l'Education nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche (M.E.N.E.S.R.), Boillot, Marie-Laure, Hétérostructures de van der Waals à dimensions mixtes pour l'électronique et la spintronique - - MIXES2019 - ANR-19-CE09-0028 - AAPG2019 - VALID, Détecteur plasmonique à nanoCristaux colloïdaux: une nouvelle filière pour l'OPtoélectronique INfrarouge - - COPIN2019 - ANR-19-CE24-0022 - AAPG2019 - VALID, Nanostructures en Interaction avec leur Environnement - - NIE2011 - ANR-11-LABX-0058 - LABX - VALID, Initiative d'excellence - Par-delà les frontières, l'Université de Strasbourg - - UNISTRA2010 - ANR-10-IDEX-0002 - IDEX - VALID, Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et Nanosciences Grand-Est (MNGE), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique, Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), ANR-19-CE09-0028,MIXES,Hétérostructures de van der Waals à dimensions mixtes pour l'électronique et la spintronique(2019), ANR-19-CE24-0022,COPIN,Détecteur plasmonique à nanoCristaux colloïdaux: une nouvelle filière pour l'OPtoélectronique INfrarouge(2019), ANR-11-LABX-0058,NIE,Nanostructures en Interaction avec leur Environnement(2011), and ANR-10-IDEX-0002,UNISTRA,Par-delà les frontières, l'Université de Strasbourg(2010)

Subjects
Materials science, Spin states, [SPI.NANO] Engineering Sciences [physics]/Micro and nanotechnologies/Microelectronics, Aucun, Spin transition, 02 engineering and technology, 010402 general chemistry, 01 natural sciences, LIESST, law.invention, nanoelectronics, spin crossover, law, Spin crossover, Molecular film, Materials Chemistry, [SPI.NANO]Engineering Sciences [physics]/Micro and nanotechnologies/Microelectronics, molecular switches, [CHIM.MATE] Chemical Sciences/Material chemistry, Spintronics, business.industry, Graphene, graphene, optical device, Molecular electronics, General Chemistry, [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry, 021001 nanoscience & nanotechnology, 0104 chemical sciences, Optoelectronics, 0210 nano-technology, business
Abstract

International audience; Magneto-opto-electronic properties are shown for a hybrid device constructed from a spin crossover (SCO) thin film of a Fe[HB(3,5-(Me)2Pz)3]2 molecular material evaporated over a graphene sensing layer. The principle of electrical detection of the light-induced spin transition in SCO/graphene heterostructures is demonstrated. The switchable spin state of the molecular film is translated into a change of conductance of the graphene channel. The low temperature write/erase process of the conductive remnant states is implemented using two distinct excitation wavelengths, in the red (light-induced spin state trapping, LIESST) region for stabilizing the metastable paramagnetic state, and in the near infrared (reverse-LIESST) region for retrieving the stable diamagnetic state. The bistability of the system is confirmed over a significant temperature window through light-induced thermal hysteresis (LITH). This opens new avenues to study the light-induced spin transition mechanisms exploring the coupling mechanisms between SCO systems and 2D materials, providing electrical readings of the molecules/2D substrate interfaces. These results demonstrate how the electronic states of insulating molecular switches can be stored, read and manipulated by multiple stimuli, while transducing them into low impedance signals, thanks to two-dimensional detectors, revealing the full potential of mixed-dimensional heterostructures for molecular electronics and spintronics.

Published
2021
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6. Pushing absorption of perovskite nanocrystals into the infrared

Author

Gilles Patriarche, Adrien Khalili, Lenart Dudy, Audrey Chu, Grégory Vincent, Sang-Soo Chee, Xiang Zhen Xu, Charlie Gréboval, Prachi Rastogi, Ulrich Nguétchuissi Noumbé, Mathieu G. Silly, Hervé Cruguel, Junling Qu, Aloyse Degiron, Mayank Goyal, Sandrine Ithurria, Bruno Gallas, Jean-Francois Dayen, Emmanuel Lhuillier, Physico-chimie et dynamique des surfaces (INSP-E6), Institut des Nanosciences de Paris (INSP), Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Matériaux et nanosciences d'Alsace (FMNGE), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA), Laboratoire de Physique et d'Etude des Matériaux (UMR 8213) (LPEM), Ecole Superieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris (ESPCI Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Nanostructures et optique (INSP-E4), Synchrotron SOLEIL (SSOLEIL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques (MPQ (UMR_7162)), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Paris (UP), DOTA, ONERA, Université Paris Saclay [Palaiseau], ONERA-Université Paris-Saclay, ANR-18-CE30-0023,IPER-Nano2,Nanocristaux de perovskite inorganique pour la nanophotonique(2018), ANR-19-CE09-0017,FRONTAL,Nanocristaux Colloïdaux Dopés Infrarouges(2019), ANR-19-CE24-0022,COPIN,Détecteur plasmonique à nanoCristaux colloïdaux: une nouvelle filière pour l'OPtoélectronique INfrarouge(2019), ANR-11-IDEX-0004,SUPER,Sorbonne Universités à Paris pour l'Enseignement et la Recherche(2011), ANR-19-CE09-0026,GRaSkop,Tuning Giant Rashba Spin-Orbit Coupling in Polar Single Layer Transition Metal Dichalcogenides(2019), European Project: 756225,blackQD, lhuillier, emmanuel, APPEL À PROJETS GÉNÉRIQUE 2018 - Nanocristaux de perovskite inorganique pour la nanophotonique - - IPER-Nano22018 - ANR-18-CE30-0023 - AAPG2018 - VALID, Nanocristaux Colloïdaux Dopés Infrarouges - - FRONTAL2019 - ANR-19-CE09-0017 - AAPG2019 - VALID, Détecteur plasmonique à nanoCristaux colloïdaux: une nouvelle filière pour l'OPtoélectronique INfrarouge - - COPIN2019 - ANR-19-CE24-0022 - AAPG2019 - VALID, Sorbonne Universités à Paris pour l'Enseignement et la Recherche - - SUPER2011 - ANR-11-IDEX-0004 - IDEX - VALID, Tuning Giant Rashba Spin-Orbit Coupling in Polar Single Layer Transition Metal Dichalcogenides - - GRaSkop2019 - ANR-19-CE09-0026 - AAPG2019 - VALID, ERC blackQD - blackQD - 756225 - INCOMING, Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et Nanosciences Grand-Est (MNGE), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique, Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et nanosciences d'Alsace (FMNGE), and Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique

Subjects
Electron mobility, Materials science, Bioengineering, 02 engineering and technology, 7. Clean energy, nanocrystal, field effect transistor, plasmonic resonator, General Materials Science, Perovskites, Absorption (electromagnetic radiation), perovskite, Perovskite (structure), light matter-coupling, [CHIM.MATE] Chemical Sciences/Material chemistry, business.industry, Mechanical Engineering, Doping, short-wave infrared, General Chemistry, [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry, 021001 nanoscience & nanotechnology, Condensed Matter Physics, [PHYS.COND.CM-MS] Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], Formamidinium, Nanocrystal, infrared, [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], Optoelectronics, resonator, 0210 nano-technology, business, Hybrid material, Formamidinium lead iodine, Dark current
Abstract

International audience; To date defect-tolerance electronic structure of Lead halide perovskite nanocrystals is limited to optical feature in the visible range. Here, we demonstrate that IR sensitization of formamidinium lead iodine (FAPI) nanocrystals array can be obtained by its doping with PbS nanocrystals. In this hybrid array, absorption comes from the PbS nanocrystals while transport is driven by the perovskite which reduces the dark current compared to pristine PbS. In addition, we fabricate a field-effect transistor using a high capacitance ionic glass made of hybrid FAPI/PbS nanocrystal arrays. We show that the hybrid material has an n-type nature with an electron mobility of 2 x 10-3 cm2 V-1s-1. However, the dark current reduction is mostly balanced by a loss of absorption. To overcome this limitation, we couple the FAPI/PbS hybrid to a guided mode resonator, that can enhance the infrared light absorption.

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2020
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7. Reconfigurable 2D/0D p-n Graphene/HgTe Nanocrystal Heterostructure for Infrared Detection

Author

Louis Donald Notemgnou Mouafo, Ulrich Nguétchuissi Noumbé, Luis E. Parra López, Audrey Chu, Clément Livache, Jean-Francois Dayen, Abdelkarim Ouerghi, Charlie Gréboval, Bernard Doudin, Hicham Majjad, Julien Chaste, Stéphane Berciaud, Emmanuel Lhuillier, chaste, julien, Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et Nanosciences Grand-Est (MNGE), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique, Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Physico-chimie et dynamique des surfaces (INSP-E6), Institut des Nanosciences de Paris (INSP), Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), lhuillier, emmanuel, Sorbonne Universités à Paris pour l'Enseignement et la Recherche - - SUPER2011 - ANR-11-IDEX-0004 - IDEX - VALID, Hétérostructures bi-dimendionnelles hybrides pour l'optoélectronique - - H2DH2015 - ANR-15-CE24-0016 - AAPG2015 - VALID, APPEL À PROJETS GÉNÉRIQUE 2018 - Nanocristaux de perovskite inorganique pour la nanophotonique - - IPER-Nano22018 - ANR-18-CE30-0023 - AAPG2018 - VALID, Détecteur plasmonique à nanoCristaux colloïdaux: une nouvelle filière pour l'OPtoélectronique INfrarouge - - COPIN2019 - ANR-19-CE24-0022 - AAPG2019 - VALID, Nanocristaux Colloïdaux Dopés Infrarouges - - FRONTAL2019 - ANR-19-CE09-0017 - AAPG2019 - VALID, Tuning Giant Rashba Spin-Orbit Coupling in Polar Single Layer Transition Metal Dichalcogenides - - GRaSkop2019 - ANR-19-CE09-0026 - AAPG2019 - VALID, ERC blackQD - blackQD - 756225 - INCOMING, ANR-11-IDEX-0004,SUPER,Sorbonne Universités à Paris pour l'Enseignement et la Recherche(2011), ANR-15-CE24-0016,H2DH,Hétérostructures bi-dimendionnelles hybrides pour l'optoélectronique(2015), ANR-18-CE30-0023,IPER-Nano2,Nanocristaux de perovskite inorganique pour la nanophotonique(2018), ANR-19-CE24-0022,COPIN,Détecteur plasmonique à nanoCristaux colloïdaux: une nouvelle filière pour l'OPtoélectronique INfrarouge(2019), ANR-19-CE09-0017,FRONTAL,Nanocristaux Colloïdaux Dopés Infrarouges(2019), ANR-19-CE09-0026,GRaSkop,Tuning Giant Rashba Spin-Orbit Coupling in Polar Single Layer Transition Metal Dichalcogenides(2019), European Project: 756225,blackQD, Université de Strasbourg (UNISTRA)-Matériaux et nanosciences d'Alsace (FMNGE), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique, and Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)

Subjects
Electron mobility, Materials science, General Physics and Astronomy, 02 engineering and technology, 010402 general chemistry, 7. Clean energy, 01 natural sciences, Capacitance, HgTe, law.invention, [PHYS] Physics [physics], law, General Materials Science, gate induced diode, [PHYS.COND]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat], narrow band gap nanocrystals, Photocurrent, [PHYS]Physics [physics], business.industry, Graphene, graphene, General Engineering, Heterojunction, infrared detection, 021001 nanoscience & nanotechnology, 0104 chemical sciences, Photodiode, Semiconductor, Optoelectronics, 0210 nano-technology, business, [PHYS.COND] Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat], Dark current
Abstract

International audience; Nanocrystals are promising building blocks for the development of low-cost infrared optoelectronics. Gating a nanocrystal film in a phototransistor geometry is commonly proposed as a strategy to tune the signal to noise ratio by carefully controlling the carrier density within the semiconductor. However, the performance improvement has so far been quite marginal. With metallic electrodes, the gate dependence of the photocurrent follows the gate-induced change of the dark current. Graphene presents key advantages: (i) infrared transparency that allows back-side illumination, (ii) vertical electric field transparency and (iii) carrier selectivity under gate bias. Here, we investigate a configuration of 2D/0D infrared photodetectors taking advantage of a high capacitance ionic glass gate, large scale graphene electrodes, and a HgTe nanocrystal layer of high carrier mobility. The introduction of graphene electrodes combined with ionic glass enables to reconfigure selectively the HgTe nanocrystals and the graphene electrodes between electrons (n) and holes (p) doped states. We unveil that this functionality enables to design a 2D/0D p-n junction that expands throughout the device, with a built-in electric field that assists charge dissociation. We demonstrate that in this specific configuration, the signal to noise ratio for infrared photodetection can be enhanced by two orders of magnitude, and that photovoltaic operation can be achieved. The detectivity now reaches 109 Jones while the device only absorbs 8% of the incident light. Additionally, the time response of the device is fast (

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2020
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8. Field effect transistor and photo transistor of narrow band gap nanocrystal arrays using ionic glasses

Author

Nicolas Goubet, Ulrich Nguétchuissi Noumbé, Yoann Prado, Charlie Gréboval, Audrey Chu, Emmanuel Lhuillier, Abdelkarim Ouerghi, Bertille Martinez, Sandrine Ithurria, Junling Qu, Hervé Aubin, Julien Ramade, Clément Livache, Jean-Francois Dayen, Physico-chimie et dynamique des surfaces (INSP-E6), Institut des Nanosciences de Paris (INSP), Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Matériaux et nanosciences d'Alsace (FMNGE), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA), De la Molécule aux Nanos-objets : Réactivité, Interactions et Spectroscopies (MONARIS), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire de Physique et d'Etude des Matériaux (UMR 8213) (LPEM), Ecole Superieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris (ESPCI Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de Nanosciences et Nanotechnologies (C2N (UMR_9001)), Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), ANR-18-CE30-0023,IPER-Nano2,Nanocristaux de perovskite inorganique pour la nanophotonique(2018), ANR-11-IDEX-0004,SUPER,Sorbonne Universités à Paris pour l'Enseignement et la Recherche(2011), ANR-15-CE09-0014,NanoDoSe,Dopage de Nanocristaux Semiconducteurs par chimie douce(2015), European Project: 756225,blackQD, Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et Nanosciences Grand-Est (MNGE), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique, and Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)

Subjects
Materials science, infrared nanocrystal, Bioengineering, 02 engineering and technology, Photodetection, Dielectric, Capacitance, HgTe, law.invention, field effect transistor, Operating temperature, law, General Materials Science, [PHYS.COND]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat], [SPI.NANO]Engineering Sciences [physics]/Micro and nanotechnologies/Microelectronics, Photocurrent, business.industry, Mechanical Engineering, General Chemistry, 021001 nanoscience & nanotechnology, Condensed Matter Physics, Photodiode, Nanocrystal, ionic glass, infrared, Optoelectronics, Field-effect transistor, 0210 nano-technology, business, solid state gating, LaF3, ionic glasses, HgTe nanocrystal
Abstract

The gating of nanocrystal films is currently driven by two approaches: either the use of a dielectric such as SiO2 or the use of electrolyte. SiO2 allows fast bias sweeping over a broad range of temperatures but requires a large operating bias. Electrolytes, thanks to large capacitances, lead to the significant reduction of operating bias but are limited to slow and quasi-room-temperature operation. None of these operating conditions are optimal for narrow-band-gap nanocrystal-based phototransistors, for which the necessary large-capacitance gate has to be combined with low-temperature operation. Here, we explore the use of a LaF3 ionic glass as a high-capacitance gating alternative. We demonstrate for the first time the use of such ionic glasses to gate thin films made of HgTe and PbS nanocrystals. This gating strategy allows operation in the 180 to 300 K range of temperatures with capacitance as high as 1 μF·cm-2. We unveil the unique property of ionic glass gate to enable the unprecedented tunability of both magnitude and dynamics of the photocurrent thanks to high charge-doping capability within an operating temperature window relevant for infrared photodetection. We demonstrate that by carefully choosing the operating gate bias, the signal-to-noise ratio can be improved by a factor of 100 and the time response accelerated by a factor of 6. Moreover, the good transparency of LaF3 substrate allows back-side illumination in the infrared range, which is highly valuable for the design of phototransistors.

Published
2019
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9. Gate tunable vertical geometry phototransistor based on infrared HgTe nanocrystals

Author

Corentin Dabard, Adrien Khalili, Audrey Chu, Abdelkarim Ouerghi, Jean-Francois Dayen, Charlie Gréboval, Ulrich Nguétchuissi Noumbé, Yoann Prado, Silviu Colis, Julien Chaste, Emmanuel Lhuillier, Tung Huu Dang, Physico-chimie et dynamique des surfaces (INSP-E6), Institut des Nanosciences de Paris (INSP), Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Matériaux et nanosciences d'Alsace (FMNGE), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA), Nanostructures et optique (INSP-E4), Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Universitaire de France (IUF), Ministère de l'Education nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche (M.E.N.E.S.R.), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et Nanosciences Grand-Est (MNGE), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique, Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire de Physique et d'Etude des Matériaux (UMR 8213) (LPEM), Ecole Superieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris (ESPCI Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), ANR-19-CE24-0022,COPIN,Détecteur plasmonique à nanoCristaux colloïdaux: une nouvelle filière pour l'OPtoélectronique INfrarouge(2019), ANR-19-CE09-0017,FRONTAL,Nanocristaux Colloïdaux Dopés Infrarouges(2019), ANR-11-IDEX-0004,SUPER,Sorbonne Universités à Paris pour l'Enseignement et la Recherche(2011), ANR-19-CE09-0026,GRaSkop,Tuning Giant Rashba Spin-Orbit Coupling in Polar Single Layer Transition Metal Dichalcogenides(2019), ANR-18-CE30-0023,IPER-Nano2,Nanocristaux de perovskite inorganique pour la nanophotonique(2018), European Project: 756225,blackQD, lhuillier, emmanuel, Détecteur plasmonique à nanoCristaux colloïdaux: une nouvelle filière pour l'OPtoélectronique INfrarouge - - COPIN2019 - ANR-19-CE24-0022 - AAPG2019 - VALID, Nanocristaux Colloïdaux Dopés Infrarouges - - FRONTAL2019 - ANR-19-CE09-0017 - AAPG2019 - VALID, Sorbonne Universités à Paris pour l'Enseignement et la Recherche - - SUPER2011 - ANR-11-IDEX-0004 - IDEX - VALID, Tuning Giant Rashba Spin-Orbit Coupling in Polar Single Layer Transition Metal Dichalcogenides - - GRaSkop2019 - ANR-19-CE09-0026 - AAPG2019 - VALID, APPEL À PROJETS GÉNÉRIQUE 2018 - Nanocristaux de perovskite inorganique pour la nanophotonique - - IPER-Nano22018 - ANR-18-CE30-0023 - AAPG2018 - VALID, and ERC blackQD - blackQD - 756225 - INCOMING

Subjects
Fabrication, Materials science, Physics and Astronomy (miscellaneous), Infrared, gate effect, Geometry, 02 engineering and technology, 7. Clean energy, 01 natural sciences, law.invention, Stack (abstract data type), law, Electric field, 0103 physical sciences, photodiode, [PHYS.COND]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat], Diode, 010302 applied physics, [PHYS]Physics [physics], Graphene, 021001 nanoscience & nanotechnology, [PHYS.COND.CM-MS] Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], [SPI.TRON] Engineering Sciences [physics]/Electronics, Active layer, Photodiode, [SPI.TRON]Engineering Sciences [physics]/Electronics, mixed dimensionalities device, infrared, [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], 0210 nano-technology, HgTe nanocrystal
Abstract

International audience; Infrared nanocrystals are promising building blocks for the design of low-cost infrared sensors. Vertical geometry diode is, among possible geometries, the one that has led to the best performance so far. However, this geometry suffers from a lack of tunability after its fabrication, slowing down possible improvements. Here, we demonstrate gate control on a vertical diode in which the active layer is made of HgTe NCs absorbing in the extended short-wave infrared (2.5 μm). To reach this goal, we take advantage of the electrostatic transparency of graphene, combined with the high capacitance LaF3 ionic glass to design a gate tunable photodiode. The latter behaves as a work function-tunable electrode which lets the gate-induced electric field tune the carrier density within the nanocrystal film. In particular, we show that the gate allows to tune the band profile leading to more efficient charge extraction and thus an enhanced photoresponse (×4 compared to the device with a floating gate). This work also demonstrates that photoelectron extraction can still be improved in the existing diode, by better controlling the doping profile of the stack.This project is supported by a ERC starting grant blackQD (Grant No. 756225). We acknowledge the use of clean-room facilities from the “Centrale de Proximité Paris-Centre” and from the STnano platform. This work has been supported by the Region Ile-de-France in the framework of DIM Nano-K (Grant dopQD). This work was supported by French state funds managed by the ANR within the Investissements d'Avenir programme by Labex Matisse (No. ANR-11-IDEX-0004-02) and Labex NIE (Nos. ANR-11-LABX-0058 and ANR-10-IDEX-0002-02). A.N.R. also funded grants FRONTAL (No. ANR-19-CE09-0017), IPER-Nano2 (No. ANR-18CE30-0023-01), Copin (No. ANR-19-CE24-0022), and Graskop (No. ANR-19-CE09-0026), NITQuantum. A.C. thanks Agence Innovation Defense for the Ph.D. funding.

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10. Ionic Glass–Gated 2D Material–Based Phototransistor: MoSe 2 over LaF 3 as Case Study

Author

Abdelkarim Ouerghi, Ulrich Nguétchuissi Noumbé, Emmanuel Lhuillier, Jean-Francois Dayen, Bernard Doudin, Charlie Gréboval, Clément Livache, Thibault Brulé, Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Matériaux et nanosciences d'Alsace (FMNGE), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA), Physico-chimie et dynamique des surfaces (INSP-E6), Institut des Nanosciences de Paris (INSP), Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), HORIBA Europe Research Center [Palaiseau] (Horiba), HORIBA Scientific [France], Centre de Nanosciences et Nanotechnologies (C2N (UMR_9001)), Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), ANR-10-LABX-0067,MATISSE,MATerials, InterfaceS, Surfaces, Environment(2010), ANR-15-CE24-0016,H2DH,Hétérostructures bi-dimendionnelles hybrides pour l'optoélectronique(2015), ANR-19-CE24-0022,COPIN,Détecteur plasmonique à nanoCristaux colloïdaux: une nouvelle filière pour l'OPtoélectronique INfrarouge(2019), ANR-19-CE09-0026,GRaSkop,Tuning Giant Rashba Spin-Orbit Coupling in Polar Single Layer Transition Metal Dichalcogenides(2019), ANR-19-CE09-0017,FRONTAL,Nanocristaux Colloïdaux Dopés Infrarouges(2019), ANR-18-CE30-0023,IPER-Nano2,Nanocristaux de perovskite inorganique pour la nanophotonique(2018), European Project: 756225,blackQD, lhuillier, emmanuel, MATerials, InterfaceS, Surfaces, Environment - - MATISSE2010 - ANR-10-LABX-0067 - LABX - VALID, Hétérostructures bi-dimendionnelles hybrides pour l'optoélectronique - - H2DH2015 - ANR-15-CE24-0016 - AAPG2015 - VALID, Détecteur plasmonique à nanoCristaux colloïdaux: une nouvelle filière pour l'OPtoélectronique INfrarouge - - COPIN2019 - ANR-19-CE24-0022 - AAPG2019 - VALID, Tuning Giant Rashba Spin-Orbit Coupling in Polar Single Layer Transition Metal Dichalcogenides - - GRaSkop2019 - ANR-19-CE09-0026 - AAPG2019 - VALID, Nanocristaux Colloïdaux Dopés Infrarouges - - FRONTAL2019 - ANR-19-CE09-0017 - AAPG2019 - VALID, APPEL À PROJETS GÉNÉRIQUE 2018 - Nanocristaux de perovskite inorganique pour la nanophotonique - - IPER-Nano22018 - ANR-18-CE30-0023 - AAPG2018 - VALID, ERC blackQD - blackQD - 756225 - INCOMING, Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et Nanosciences Grand-Est (MNGE), Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique, and Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)

Subjects
Materials science, Ionic bonding, 02 engineering and technology, Electrolyte, Gating, 010402 general chemistry, 01 natural sciences, Capacitance, Ion, law.invention, two dimensional material, Biomaterials, field effect transistor), law, Electrochemistry, photodetector, [PHYS.COND]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat], business.industry, Doping, 021001 nanoscience & nanotechnology, Condensed Matter Physics, 0104 chemical sciences, Electronic, Optical and Magnetic Materials, Photodiode, phototransistor, ionic glass, Optoelectronics, Field-effect transistor, 0210 nano-technology, business, [PHYS.COND] Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]
Abstract

International audience; Modulating the carrier density of 2D materials is pivotal to tailor their electrical properties, with novel physical phenomena expected to occur at a higher doping level. Here, the use of ionic glass as a high capacitance gate is explored to develop a 2D material–based phototransistor operated with a higher carrier concentration up to 5 × 1013 cm−2, using MoSe2 over LaF3 as an archetypal system. Ion glass gating reveals to be a powerful technique combining the high carrier density of electrolyte gating methods while enabling direct optical addressability impeded with usual electrolyte technology. The phototransistor demonstrates ION/IOFF ratio exceeding five decades and photoresponse times down to 200 µs, up to two decades faster than MoSe2 phototransistors reported so far. Careful phototransport analysis reveals that ionic glass gating of 2D materials allows tuning the nature of the carrier recombination processes, while annihilating the traps' contribution in the electron injection regime. This remarkable property results in a photoresponse that can be modulated electrostatically by more than two orders of magnitude, while at the same time increasing the gain bandwidth product. This study demonstrates the potential of ionic glass gating to explore novel photoconduction processes and alternative architectures of devices.

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