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Being a flexible wide band gap semiconductor, hexagonal boron nitride (h-BN) has great potential for technological applications like efficient deep ultraviolet light sources, building block for two-dimensional heterostructures and room temperature single photon emitters in the ultraviolet and visible spectral range. To enable such applications, it is mandatory to reach a better understanding of the electronic and optical properties of h-BN and the impact of various structural defects. Despite the large efforts in the last years, aspects such as the electronic band gap value, the exciton binding energy and the effect of point defects remained elusive, particularly when considering a single monolayer. Here, we directly measured the density of states of a single monolayer of h-BN epitaxially grown on highly oriented pyrolytic graphite, by performing low temperature scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS). The observed h-BN electronic band gap on defect-free regions is (6.8 ± 0.2) eV. Using optical spectroscopy to obtain the h-BN optical band gap, the exciton binding energy is determined as being of (0.7 ± 0.2) eV. In addition, the locally excited cathodoluminescence and photoluminescence show complex spectra that are typically associated to intragap states related to carbon defects. Moreover, in some regions of the monolayer h-BN we identify, using STM, point defects which have intragap electronic levels around 2.0 eV below the Fermi level.

International audience; Hexagonal boron nitride (hBN) is an important insulator that is incorporated into numerous 2D electronic, optoelectronic, and photonic devices, whereas natural hBN is a mixture of 20% 10B and 80% 11B isotopes, and monoisotopic hBN is a variant with just a single boron isotope, either 10B or 11B. Consequently, monoisotopic hBN has a higher thermal conductivity and a stronger neutron absorption (in the case of h10BN), making it superior for neutron detectors, heat management materials in nano flexible electronic devices, and phonon polariton-based nanophotonics. Here we synthesized approximately monoisotopic hBN using boron powder containing a single boron isotope and nitrogen, and grew single crystals from a Fe–Cr metal flux at atmospheric pressure. Narrow Raman peaks from the shear (r1.3 cm

International audience; Excitons in wide nitride Quantum Wells (QWs) are naturally indirect due to the strong internal electric field: within such excitons the electron and the hole are spatially separated, resulting in strong dipole moments and long radiative lifetimes. These properties offer the possibility to explore the collective exitonic phases with complex phase diagrams predicted theoretically in the temperature-density-dipole moment parameter space. Here we study 8 nm-wide GaN/(AlGa)N QWs presenting 1MV/cm built-in electric field in the growth direction, microsecond-long radiative lifetimes, 8 meV exciton emission linewidth and 100 µm transport lengths at cryogenic temperatures. To address the quasi-equilibrium properties of the strongly dipolar excitons (i.e. whose electric dipoles are twice as long as their Bohr radii d = 2aB), we confine them in the QW’s plane using electrostatic traps with a semi-transparent Schottly electrode. These traps consist in semitransparent electrodes deposited on the sample’s surface. We make micro-photoluminescence (µPL) measurements (less than 1µm- resolution) upon point-like optical excitation. We thus obtain the spectrally resolved information on the emission of the excitons as a function of power and density. Our experiments demonstrate an efficient trapping of excitons in the plane of the QW, with a trapping potential of an order of 50 meV. We demonstrate that it is possible to uniformly fill areas up to hundreds of microns in length with excitons and/or electron hole pairs in the QW’s plane. At T=4K, the emission from these areas exhibits a peculiar behavior. At low densities, such that there is no measurable screening of the built-in electric field, the emission from the trap is weak and spatially homogeneous. However, for weak built-in electric field screenings (as low as 10 meV, ~1011 cm-2 pair density), the PL brightens up and becomes spatially inhomogeneous – droplet like. We tentatively interpret this fragmentation as the coexistence of the gas and liquid phases of the excitons. As expected, the fragmented character of the emission disappears when either power and/or temperature is further increased, due to either exciton heating (gas phase), ionization or dissociation (Mott transition). Our results suggest that excitons in GaN QWs are promising candidates for the study of collective phenomena in cold dipolar bosonic systems. The advantages of the nitrides over arsenides include both higher critical temperatures for the onset of collective phenomena, and the ability to increase the dipolarity of systems based on their small exciton Bohr radius.

International audience; Excitons in nitride quantum wells (QWs) are naturally indirect due to the strong internal electric field: electron and hole within such excitons are spatially separated, leading to strong dipole moments and long radiative lifetimes. The physics of indirect excitons (IXs) has been extensively studied in GaAs-based heterostructures: they can propagate over large distances, be trapped in gate-controlled electrostatic traps, and form a cold and dense gas of interacting bosons. Compared to traditional IXs in arsenide heterostructures, IXs in GaN QWs have much larger binding energies and smaller Bohr radii. This allows exploring IX propagation up to room temperature, and over a much larger density range. The length scale of the excitonic transport is an important figure of merit of the indirect excitons. The excitonic transport was first observed at low temperature in the case of hetero-epitaxy of the GaN QWs on sapphire substrates [1]. The improvement of the sample quality through homo-epitaxy on GaN substrates allowed observing an efficient transport up to room temperature [2]. Under a focused non-resonant excitation of the quantum well, we observe a spatial decay of the exciton density (deduced from the local blue shift of the QW transition), with a length scale of 100µm at 10K and 30µm at T=300K in our most recent homo-epitaxial samples. Such long propagation distances are a pre-requisite to the development of IX-based optoelectronic devices operating on a large temperature range, and to the exploration of exciton collective states. The realization of an excitonic trap is a first step forward, and we recently investigated the exciton transport in electrostatic traps formed when a semi-transparent gate is deposited on top of the QW sample. Trapping of the excitons is observed, with a typical trap depth of 60-90 meV. The excitons can also be generated outside the trap and relax into the trap, so to spatially separate the trap from the generation spot, which is expected to be a source of heat and decoherence for the excitonic cloud. These results are promising for the investigation of trapped collective states of IXs, and their cooling into exotic phases.

International audience

International audience; Light emission in polar group-III nitride quantum wells (QWs) optically pumped at densities significantly below the lasing threshold is usually interpreted in terms of excitons. Whereas thin GaN QWs with fast radiative lifetimes are employed in light-emitting devices, the excitons in thick QWs (typ. 7nm) are characterized by a non-zero dipole moment and long radiative lifetimes, due to the built-in electric field. These features result in many interesting properties of dipolar excitons: they can propagate over large distances and thus cool down to the lattice temperature before recombination, offering the possibility for studies of cold and dense gas of interacting bosons. In this context, two important issues must be addressed: the strength of the exciton-exciton interaction, and the excitonic Mott transition, that sets the maximum density of excitons. Combining spatially and time-resolved photoluminescence in different excitation geometries, we provide a set of experimental data showing that the emission linewidth is proportional to the emission energy in a wide range of carrier densities and temperatures. The proportionality coefficient is almost temperature independent. These results are compared to the existing data in various material systems and discussed in terms of the Mott transition and its criteria, exciton-exciton interaction and its possible contribution to the linewidth, as well as the role of disorder in the density-dependent emission spectra.

International audience; We investigate the opto-electronic properties of hexagonal boron nitride grown by high temperature plasma-assisted molecular beam epitaxy. We combine atomic force microscopy, spectroscopic ellipsometry, and photoluminescence spectroscopy in the deep ultraviolet to compare the quality of hexagonal boron nitride grown either on sapphire or highly oriented pyrolytic graphite. For both substrates, the emission spectra peak at 235 nm, indicating the high optical quality of hexagonal boron nitride grown by molecular beam epitaxy. The epilayers on highly oriented pyrolytic graphite demonstrate superior performance in the deep ultraviolet (down to 210 nm) compared to those on sapphire. These results reveal the potential of molecular beam epitaxy for the growth of hexagonal boron nitride on graphene, and more generally, for fabricating van der Waals heterostructures and devices by means of a scalable technology.

International audience; This communication will display the use of novel organosilica materials embedding π-conjugated moieties1 as semiconductors into various applications. For field effect transistors, the π-conjugated core chosen is [1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene (BTBT)2, first functionalized with hydroxyl groups3 and then modified with hydrolysable and cross-linkable triethoxysilyl moieties. After polycondensation, this compound forms a hybrid material found to be a semiconductor and can be incorporated into field effect transistors. Taking advantage of the sol-gel chemistry involved here, we built Hybrid Field Effect Transistors that are fully cross-linked with covalent bonds. Molecules are cross-linked to each other, covalently bonded to the silicon oxide dielectric and also covalently bonded to the gold electrode thanks to the use of an appropriate surface modifier in between. This is the first report of fully covalent transistors. Those devices with modest mobilities show impressive resilience against polar, aliphatic and aromatics solvents (even under sonication). A solgel processable derivative of fullerene will also be described as promising interlayer for Perovskite n-i-p photovoltaic solar cells4.

International audience; In this paper, I will review our recent results demonstrating that hBN has an indirect bandgap at 5.9 eV. I will show that the optical properties of hBN are profoundly determined by phonon-assisted transitions with a mirror symmetry between emission and absorption around the indirect exciton at 5.9 eV (Figure 1). I will provide a comprehensive analysis of the emission spectrum in the deep ultraviolet in terms of phonon-assisted transitions involving either virtual or real excitonic states, the latter being provided by structural defects. I will finally point out the complex relaxation dynamics of the quantum gas formed by the reservoir of indirect excitons.

National audience; ZnO est un matériau semiconducteur présentant des excitons forts, en terme de force d’oscillateur et d’énergie de liaison. Il est donc particulièrement intéressant pour la génération et le contrôle de condensats de polaritons, jusqu’à température ambiante.La réalisation de microcavités ZnO planaires de grand facteur de qualité a longtemps constitué un défi important. Nous avons réalisé dès 2011 le premier laser à polaritons ZnO (à T=120K et un désaccord exciton-photon nul) [1], dans une microcavité hybride (DBR AlN/AlGaN, ZnO réalisé par épitaxie MBE, DBR SiO2/SiN). Son facteur de qualité, Q=450, était cependant trop faible pour permettre un fonctionnement du laser à polaritons à température ambiante. Dans une approche radicalement différente, une microcavité a ensuite été réalisée en insérant une couche active ZnO massive de grande qualité cristalline entre deux miroirs diélectriques SiO2/HfO2 ; le facteur de qualité a alors atteint Q>2000, pour un dédoublement de Rabi de 250 meV. Cette cavité a permis d’observer la condensation des polaritons sur une plage de composition exciton-photon et de température sans précédent, jusqu’à T=300K [2]. Le diagramme de phase complet du laser à polaritons a été mesuré, montrant que le seuil de condensation à 300K est seulement 6 fois supérieur à celui observé à 8K. Ce résultat est en bon accord qualitatif avec des simulations de la relaxation des excitons et des polaritons dans un modèle cinétique. L’accordabilité de cette microcavité constitue un progrès important en comparaison des travaux antérieurs [3,4].La formation et la propagation du condensat de polaritons sont étudiées dans la microcavité de Q>2000 par imagerie 2D de l’émission via un spectromètre imageur, dans l’espace réel comme dans l’espace de Fourier des impulsions. Le laser d’excitation est focalisé sur quelques microns, et les contributions du réservoir d’excitons et des différentes branches polaritoniques sont mesurées (figure 1). Les excitons diffusent sur quelques microns, alors que le condensat de polaritons se propage sur des distances atteignant 10 à 20 µm. Les profils spatiaux du condensat sont comparés aux résultats d’un modèle de formation et de propagation en symétrie cylindrique, permettant d’identifier les différents régimes de fonctionnement : génération, répulsion du condensat par interaction avec le réservoir d’excitons, amplification du condensat lors de la propagation. Ces résultats seront comparés avec les démonstrations récentes dans les microcavités GaAs.La microcavité précédente présente un gradient important d’épaisseur, qui rend difficile la réalisation de condensats de forme variée. Des cavités équivalentes ont alors été réalisées sur des DBR AlN/AlGaN sur mesas Si, dans lesquels le laser à polaritons fonctionne aussi jusqu’à température ambiante [5]. Elles ont permis de travailler sous faisceau laser d’excitation défocalisé ou façonné. Le rôle de la localisation des polaritons sur la distribution spatiale du condensat sera discuté.

National audience; Dans le domaine de la nano-photonique, les matériaux semiconducteurs nitrures (GaN, AlN) présentent un intérêt grandissant en raison de leurs spécificités, et de leur complémentarité avec les filières déjà établies. Ces matériaux présentent en effet une plage de transparence large, du moyen infra-rouge à l’ultra-violet ; ils présentent aussi des susceptibilités non-linéaires d’ordre 2 et 3 intéressantes ; des émetteurs efficaces jusqu’à température ambiante peuvent être intégrés dans les couches actives. Enfin, la filière nitrure de l’industrie des semiconducteurs se développe actuellement très rapidement.Nous avons développé au cours des dernières années plusieurs facettes exploitant ces avantages de la nano-photonique GaN. La maîtrise des procédés spécifique à GaN/AlN a permis de réaliser des micro-résonateurs de haut facteur de qualité, atteignant dans l’ultra-violet Q=7000 dans des microdisques [1] et Q=4400 dans des cavités à cristaux photoniques membranaires [2], et Q=34000 dans l’infra-rouge [3]. Ces résonateurs sont désormais intégrés dans des circuits photoniques complexes [3]. Ces structures sont de plus réalisées à partir de couches GaN/AlN sur substrat de silicium, de faible coût, ce qui ouvre des perspectives riches de couplage avec la photonique silicium. Nous présentons ici deux démonstrations récentes et originales. D’une part, nous avons exploité le confinement de la lumière dans une cavité photonique membranaire pour exalter la génération de seconde harmonique (SHG). La structure est constituée d’un guide d’accès membranaire GaN/AlN de 345nm d’épaisseur, se terminant de manière effilée pour optimiser le couplage de la lumière via une fibre lentillée. Un cristal photonique est inséré au centre du guide d’onde, avec un mode de cavité à 1577nm (Q=25000). Lorsque le laser continu d’injection est résonant avec ce mode, une émission de seconde harmonique est observée depuis la surface par un objectif de microscope couplé à un capteur CCD (figure 1). Il est intéressant d’observer que cette image possède une résolution comparable à la distance entre trous du cristal photonique. En particulier, la forme en X de l’image de second harmonique a permis d’identifier le processus non-linéaire d’ordre 2 le plus efficace pour générer la SHG, par comparaison avec des simulations FDTD. La perspective de ce travail est d’étendre vers le bleu/l’UV la plage spectrale de SHG, et de mieux profiter de la géométrie membranaire pour récolter la SHG.D’autre part, nous avons réalisé un laser à microdisques fonctionnant sous pompage optique impulsionnel dans une plage spectrale jusqu’ici inexplorée pour des micro-résonateurs : il émet à 275nm, dans l’UV-C, grâce à une couche active à base de puits quantiques GaN/AlN de 2.8 monocouches d’épaisseur nominale sur substrat silicium (figure 2). Seules des couches actives beaucoup plus complexes avaient à ce jour permis d’atteindre une émission laser à ces longueurs d’ondes dans des lasers-rubans ; celles-ci étaient de plus incompatibles avec une intégration en circuit photonique ou en microlaser. Le choix de puits quantiques sans alliages ternaires permet ici d’atteindre une bonne efficacité quantique à 300K, malgré une forte densité de dislocations (7 1010 cm-2). Le facteur beta de ce microlaser a été estimé à 3,5.10-4, toujours à 300K, ce qui est dans la plage basse des valeurs atteintes pour des microlasers émettant dans l’infra-rouge.