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Résumé:

Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) ou « graphite blanc » est un semiconducteur qui possède une large bande interdite (~ 6 eV) et dont la structure cristalline est proche de celle du graphite : elle est formée par des plans d’atomes arrangés en nid d’abeilles. La liaison entre les plans est de type Van-der-Waals. En 2004, h-BN a démontré sa capacité d’émettre de manière efficace de la lumière dans l’UV profond (~200 nm) et cela sur des cristaux massifs synthétisés au Japon (NIMS). Ces résultats ont attiré l’attention de la communauté scientifique des semiconducteurs pour la possibilité de pouvoir utiliser ce matériau comme une source de lumière pour des applications dans l’UV profond. La nature de la bande interdite dans h-BN massif a été un sujet de débat pendant plus de 12 ans et elle a été étudiée à la fois par des calculs théoriques et par des expériences. En 2016, le gap a été démontré de nature indirecte par des expériences de spectroscopie optique à 2-photons. Un exciton indirect et des recombinaisons assistées par phonons ont été observés par photoluminescence dans h-BN. Dans h-BN, comme dans d’autres matériaux 2D, en passant d’un système 3D (massif) à un système 2D (monocouche), la nature du gap change. Les calculs montrent un changement d’un gap indirect (massif) vers un gap direct (monocouche). Cette transition de gap indirect-direct n’a jamais été observée dans h-BN, et en conséquence les propriétés opto-électroniques de la monocouche n’ont jamais été étudiées. Durant cette thèse, nous avons étudié pour la première fois les propriétés optiques de la monocouche de BN (mBN) par spectroscopie optique (macro-PL et réflectivité) sur des échantillons de mBN épitaxiés par MBE à haute température sur des substrats de graphite (HOPG). Nos résultats ont démontré pour la première fois la possibilité de fabriquer une monocouche de BN (3.5 Å) par MBE. Nos mesures de spectroscopie optique ont démontré la présence d’une transition optique à 6.1 eV associée à un gap direct dans la mBN.