Croissance et fonctionnalisation des matériaux 2D – Ingénierie de la structure de bandes

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Croissance et fonctionnalisation des matériaux 2D – Ingénierie de la structure de bandes

D. Aubel, J.-L. Bubendorff, M. Cranney, E. Denys, A. Florentin, F. Vonau, et L. Simon
Contact : laurent.simon@uha.fr

Le groupe de physique des systèmes à basse dimensionalité explore diverses façons de modifier les propriétés électroniques des couches de graphène et d’autres matériaux 2D, ou d’utiliser des matériaux 2D dans des hétérostructures. Pour se faire, nous employons l’épitaxie par jets moléculaires (MBE) sous UHV, l’évaporation moléculaire par sublimation ou le dépôt de molécules en phase liquide, soit par injection ultra-rapide à l’aide d’une valve, soit via des techniques du type electrospray.

Nos chambres de dépôt UHV sont connectées à un microscope à effet tunnel basse température (LT-STM) capable de fonctionner jusqu’à 4K, ainsi qu’à une chambre d’analyse XPS-ARPES équipée d’un analyseur d’électrons Scienta R3000, d’une source UV et de sources de rayons X monochromatiques. Cette configuration permet une investigation systématique de la nature physico-chimique et de la structure de bande des échantillons. Nous réalisons également régulièrement des analyses par rayonnement synchrotron, notamment sur la ligne DEIMOS au sein de l’installation SOLEIL. A titre d’exemple, nous étudions les structures 0D/2D de type van der Waals(système cœur/coquille Al/AlO_x sur graphène et MoS₂ ) en utilisant la photoémission et l’AFM, dans le but de développer des dispositifs magnéto-Coulomb (projet ANR MIXES, en collaboration avec IPCMS – Strasbourg, UMPhy CNRS/Thales et SPEC – Paris-Saclay) [1].

Dans une approche multidisciplinaire, nous avons étudié le greffage covalent de molécules sur graphène, ainsi que les interactions avec des couches organiques auto-assemblées capables de modifier le niveau de Fermi par transfert de charge [2]. Récemment, en collaboration avec le laboratoire Ångström à Uppsala, nous étudions la création de défauts fonctionnalisés par fluoration, notamment un nouveau processus de fluoration par faisceau d’électrons sous MEB. Ce travail a des applications dans le domaine des capteurs de gaz (NH₃ , NO₂ ), que nous étudions actuellement en collaboration avec l’ONERA[3-5].

Pour nos études d’intercalation métallique, nous travaillons avec du graphène épitaxié sur des substrats SiC (0001). Par un recuit à haute température sous UHV (>1200°C), nous pouvons synthétiser une ou plusieurs couches de Graphene épitaxial. Puis nous déposons des atomes sur ce substrat et chauffons à différentes températures, ce qui provoque une intercalation et des modifications substantielles de la structure de bande du graphène [6-8]. Bien que de nombreux éléments puissent s’intercaler, nous sommes particulièrement intéressés par l’intercalation de lanthanides, qui devrait permettre d’atteindre des niveaux extrêmement élevés de dopage électronique ainsi que d’explorer les propriétés électroniques du graphène aux points critiques de sa zone de Brillouin, en particulier lorsque le niveau de Fermi atteint des états d’énergie spécifiques (singularités de van Hove où se produisent des transitions de Lifshitz). Cela conduit à la formation de bandes plates, où de forts effets de corrélation électron-électron sont attendus, donnant lieu potentiellement à de nouveaux phénomènes physiques.

La figure ci-dessus illustre ce dernier sujet. En intercalant des atomes d’Erbium, nous avons observé pour la première fois à l’aide de notre STM un « supergraphène » avec une nouvelle structure ordonnée, corrélée avec une surface de Fermi et des dispersions sans précédent dans la structure de bande, incluant une très large bande plate au point M, où la transition de Lifshitz est atteinte [9]. Nous étudions les effets du couplage spin-orbite induit et de l’ordre magnétique issu des états π du graphène sur la topologie de la surface de Fermi, ainsi que les propriétés de transport.