Le confinement quantique des électrons est au cœur du fonctionnement de nombreux dispositifs, des lasers à cascade quantique aux émetteurs de photons uniques. Habituellement, on le crée délibérément en faisant croître des films minces ou des hétérostructures. Dans les matériaux lamellaires comme le MoS2, les puits quantiques apparaissent naturellement lorsque le nombre de couches diminue. Cependant, dans les cristaux massifs, on ne s'attend pas à les observer : les états électroniques devraient être tridimensionnels. Ces travaux montrent que même dans un échantillon massif, après exfoliation mécanique, un fragment mince décollé peut subsister et se comporter comme un puits quantique. Cela relie le sujet aux recherches sur la topologie de la structure de bandes et les phénomènes quantiques dans les matériaux lamellaires, où de tels effets sont généralement recherchés dans les monocouches ou les hétérostructures.
Des échantillons de MoS2 synthétique dopé au Nb (concentration de Nb ~2×10^17 cm^-3) ont été exfoliés une seule fois sous ultravide à une pression de 5×10^-8 mbar, puis immédiatement transférés dans la chambre ARPES. Les mesures ont été effectuées au synchrotron SOLARIS (Cracovie, Pologne) sur la ligne URANOS à une température de 110 K avec des énergies de photons de 40, 50, 70 et 100 eV. Pour renforcer les faibles caractéristiques, la méthode de courbure a été utilisée, qui ne déplace pas les positions des pics. De plus, des calculs DFT ont été réalisés avec le paquet QUANTUM ESPRESSO, la fonctionnelle PBE et la prise en compte des interactions de van der Waals selon le schéma de Grimme D3. Des slabs de 19 couches de MoS2 avec un espace de vide de 30 Å ont été modélisés, ainsi que des configurations où les trois ou quatre couches supérieures étaient séparées du volume par des distances de 0,5, 1 et 2 Å.
Au point Γ, sous la parabole de la bande de valence du volume, des états discrets supplémentaires ont été observés. Leur énergie ne change pas lorsque l'énergie des photons varie de 40 à 100 eV, ce qui prouve l'absence de dispersion selon kz et donc un confinement quantique vertical. Le nombre d'états varie de 1 à 8 selon les échantillons. L'intervalle d'énergie entre états voisins diminue avec l'augmentation du nombre d'états, et la dépendance de l'énergie en fonction du numéro n est linéaire, et non quadratique. Cela exclut la formation d'un gaz d'électrons bidimensionnel et indique un potentiel de puits parabolique. La largeur du puits L est estimée à partir du nombre d'états : L ≈ 0,615·n_max nm, ce qui donne une plage de 0,6 nm (n_max=1) à 4,9 nm (n_max=8). Les calculs DFT montrent que lorsque les trois couches supérieures sont séparées du volume par une distance de 1 à 2 Å, les énergies des trois ECQ correspondants se déplacent et leur poids spectral augmente, ce qui est cohérent avec l'expérience.
Ces travaux démontrent pour la première fois que l'exfoliation mécanique du MoS2 massif peut créer involontairement des puits quantiques à partir de multicouches décollés. Cela explique l'apparition d'états supplémentaires dans les spectres ARPES, observée auparavant mais mal interprétée. Contrairement aux études voisines où les puits quantiques sont créés par croissance contrôlée de films minces ou d'hétérostructures, ici les puits apparaissent spontanément en raison des faibles liaisons de van der Waals. Ce résultat est important pour l'interprétation des données de photoémission des matériaux lamellaires massifs : les caractéristiques observées peuvent ne pas être des défauts, mais une manifestation du confinement quantique. Cela ouvre également une voie simple pour créer des puits quantiques sans épitaxie complexe.
On pourrait tenter de contrôler l'épaisseur du multicouche décollé en faisant varier la force et la méthode d'exfoliation, ou en transférant un nombre donné de couches sur un substrat. Il serait intéressant d'étudier les transitions inter-sous-bandes dans de tels puits pour des applications optiques, car le potentiel parabolique donne des niveaux équidistants. Il est également prometteur d'examiner comment le dopage, la déformation et la température affectent les ECQ. Il est possible que des puits analogues apparaissent dans d'autres matériaux lamellaires, comme le WSe2 ou le phosphore noir.
Ce résultat influencera l'interprétation des données ARPES pour les dichalcogénures de métaux de transition massifs et d'autres matériaux lamellaires. Il pourrait également être utile pour le développement de dispositifs optoélectroniques à base de MoS2, où les puits quantiques sont utilisés pour ajuster les niveaux d'énergie.
Mener une étude systématique de la dépendance du nombre d'ECQ par rapport aux paramètres d'exfoliation (force, vitesse, angle) et à l'épaisseur initiale du cristal. Mesurer les transitions inter-sous-bandes par des méthodes optiques et les comparer aux calculs.
Ces travaux abordent le problème fondamental du contrôle du confinement quantique dans les matériaux lamellaires, où il n'existe toujours pas de moyen fiable de prédire combien de couches resteront après l'exfoliation. Cela est lié à la question plus générale de la gestion des propriétés électroniques par la dimensionnalité et les interfaces.
La largeur minimale du puits quantique était de 0,6 nm, comparable au diamètre d'une molécule d'ADN (environ 2 nm), mais elle ne contient qu'une seule couche de MoS2.