Spectroscopie des états électroniques et des états de spin dans les semiconducteurs van der Waals

Cette thèse présente une étude fondamentale des propriétés électroniques et de spin des semiconducteurs de van der Waals bidimensionnels. Ce travail explore les dopants hydrogénoïdes dans les dichalcogénures de métaux de transition (TMDC) ainsi que les super-réseaux de moiré dans le graphène bicouche Bernal (BBG) — afin de comprendre les mécanismes régissant les degrés de liberté de spin et de vallée dans ces systèmes. Contrairement aux semiconducteurs habituels comme le silicium, où la cohérence de spin repose sur un couplage spin-orbite (SOC) et des interactions hyperfines faibles, cette recherche explore les TMDCs comme un paradigme où un fort SOC intrinsèque, combiné à une rupture de la symétrie d'inversion, donne lieu à un verrouillage spin-vallée robuste qui peut protéger les états de spin de la décohérence. Grâce à une combinaison des techniques de Résonance Paramagnétique Électronique (RPE) pour sonder la dynamique de spin et de Microscopie et Spectroscopie à Effet Tunnel (STM/STS) pour visualiser la structure électronique locale, ce travail fournit un aperçu de la manière dont la structure de bande du matériau hôte imprime ses propriétés sur les dopants hydrogénoïdes localisés. La première partie de la thèse se concentre sur les centres de spin dans les TMDCs. Le donneur brome (BrTe) dans le 2H-MoTe₂ est identifié comme un système spin-vallée modèle. Les mesures RPE révèlent un temps de cohérence de spin T₂* ≈ 5 ns, remarquablement long pour un matériau à fort SOC. L'origine microscopique de cette protection est révélée par STM/STS, qui montre que la densité d'états locale (LDOS) du dopant présente des modulations spatiales prononcées. Une analyse de Fourier de ces motifs fournit la preuve directe, dans l'espace réel, que la fonction d'onde hydrogénoïde est hybridée avec les états de Bloch des vallées Q de la bande de conduction. Cette méthodologie est ensuite appliquée à l'accepteur arsenic (AsS) dans le 2H-MoS₂ géologique. La RPE confirme sa nature de type p par son anisotropie distincte du tenseur g et révèle un temps de cohérence plus long de T₂* ≈ 35 ns. Contrairement au Br, les images STM de As ne montrent pas de modulations spatiales fortes distinctes du réseau atomique, ce qui est cohérent avec l'hybridation de ses états avec les maxima de la bande de valence aux points Γ et/ou K. L'empreinte électronique de l'accepteur a été corroborée par Microscopie à Force Atomique Conductif (C-AFM), qui a cartographié une réduction locale de la barrière de Schottky, attribuée à un ancrage accru du niveau de Fermi par des états de gap induits par le désordre. Collectivement, ces résultats démontrent que les dopants hydrogénoïdes héritent des propriétés de verrouillage spin-vallée de la structure de bande de l'hôte. Cette protection héritée est le mécanisme fondamental responsable des longs temps de cohérence de spin - et des raies RPE fines correspondantes - observés pour les dopants Br et As. La seconde partie de la thèse étudie une hétérostructure de moiré BGB/hBN sous effet de champ électrique. Ce travail présente la première visualisation par STM/STS de sa bande interdite ajustable électriquement, qui provient de la rupture de la symétrie d'inversion. L'imagerie résolue à l'échelle atomique démontre un super-réseau de moiré de haute qualité avec une longueur d'onde de 11.25 nm. Les mesures spectroscopiques révèlent une augmentation prononcée de la DOS au bord de la bande de conduction, confirmant l'émergence d'un aplatissement de bande sous un champ de déplacement élevé — un prérequis essentiel pour l'étude de la physique des interactions. Enfin, la formation de niveaux électroniques discrets et ajustables par grille au sein de boîtes quantiques induites par la pointe est démontrée.