Dynamic and decoherence of Polaron and Bipolaron in transition metal dichalcogenides

Abstract

Les récents progrès dans le domaine des Dichalcogenures de Métaux de Transition (Transition Metal Dichalcogenides (TMDs) en anglais), matériaux bidimensionnels de taille atomique ont conduit à la fabrication des dispositifs semi-conducteurs de très petites tailles dans lesquelles un nombre de polaron est confiné dans un petit volume. Contrairement au materiaux classiques tels que l’arsenuire de Galium et le Grermanium, les TMDs présentent des prorpriétes électroniques intéressantes. La flexibilité de leur gap fait d’eux des materiaux de pointes pour la nouvelles géneration de composants électroniques. L’optimisation de la perfomance des quasi-particules dans ces matériaux reste un enjeu déterminant pour la minuatirisation des appareils de nouvelle génération. Dans cette thèse, nous étudions la dynamique, la décohérence et les proprietés optiques du polaron, de l’exciton-polaron et du bipolaron dans les TMDs (disulfure de molybdène (MoS2), disélénure de molybdène (MoSe2), disulfure de tungtène (WS2), disélénure de tungtène WSe2) via des méthodes variationnelles tel que la méthode de Lee-Löw Pines (LLP), la méthode de Huybrecht et la méthode de Pekar. Les énergies propres de l’état fondamental et du premier état excité du polaron, de l’exciton-polaron et du bipolaron dans les monocouches de TMDs ont été calculées. L’étude du polaron dans les TMDs révèle que les potentiels externes tels que le champ électrique, l’amplitude de l'onde radio (RW) ou de la micro onde (MW) augmente l’énergie de l'état fondamental du polaron, l’énergie du premier état excité, la mobilité, la cohérence des états polaroniques, permettent le transfert de l’information quantique et peuvent être utiliser pour contrôler l’état d’un système. En outre, nous avons montré que le champ électrique réduit la durée de vie du polaron, par contre les amplitudes de la RW ou de la MW augmentent la durée de vie du polaron et réduisent l’amplitude de la bande interdite modulée. Nous avons également constaté que la fréquence de la RW ou de la MW crée des fluctuations dans les énergies des états du polaron et dans l’amplitude de la bande interdite modulée. Parmi les monocouches de TMDs choisies, le polaron se déplace plus librement et vit plus longtemps dans le WS2 en présence du champ électrique. De plus, l’étude de l’exciton-polaron dans les TMDs montre que la barrière magnétique ou le champ magnétique affecte fortement les énergies des états, réduit la masse effective de l’exciton-polaron et augmente leur mobilité. Nous avons également observé que l’augmentation de la longueur de la barrière magnétique facilite la transition de la bande de valence vers la bande de conduction, augmente le transfert de l’information ainsi, peut être utilisée pour ajuster la cohérence des états de l’exciton-polaron dans les TMDs. On n’a aussi observé que le coefficient d’absorption optique de l’exciton polaron admet une valeur seuil, augmente avec l’augmentation du champ magnétique mais diminue avec l’augmentation de la distance interne entre la TMD et le substrat polaire. L’absorption optique dépend fortement du choix du substrat polaire ainsi que du couplage électron phonon. En outre, les résultats sur le bipolaron dans les TMD montrent que plus le couplage électron-phonon est élevée, plus l’effet du champ magnétique sur la modulation de la bande interdite est fort, la modulation de la bande interdite la plus élevée est obtenue pour la monocouche de MoS2, le bipolaron est stable dans toute les monocouches de TMD choisies. L’absorption optique présente également une valeur seuil qui correspondent à l’énergie du photon égale à l’énergie du phonon optique, il augmente à la séquence de WSe2, MoSe2, WS2 et MoS2. Nous avons également démontré qu’en présence d’un pseudo potentiel harmonique, le potentiel chimique augmente la mobilité du bipolaron, la fréquence de transition mais diminue le temps de décohérence tandis que le point zéro du pseudo potentiel diminue la mobilité du bipolaron, la fréquence de transition mais augmente le temps de décohérence. La diminution du point zéro du pseudo potentiel entraine une fréquence de transition élevée qui détruit la décohérence des états bipolaroniques. Nous avons constaté que le pseudo potentiel harmonique est utile pour le transfert de l’information, la destruction de la décohérence et la gestion des états du système. Les résultats obtenus dans ce travail sont utiles pour la societé en générale car ils permettent d’ameliorer les perfomances des composantes électroniques tel que les portes logiques, les transistors et les LED tout en reduisant leurs de tailles. Également pour la communauté scientifique car Le control des états polaroniques des systèmes à TMDs ouvre une voie vers l'amelioration du calcul quantique en proposant un système nouveau pour la conception et la realisation de l’ordinateur quantique, pour le transfert et le stockage de l’information quantique.