Avancées dans les techniques de nanocaractérisation : études STEM-4D et XEOL du nitrure de bore hexagonal parfait et en présence de défauts – Laura Susana

L’étude des propriétés physiques telles que la densité de charge et la réponse optique à l’échelle nanométrique est un défi expérimental qui motive une recherche continue de techniques instrumentales et de méthodologies innovantes. Cette thèse s’inscrit dans ce contexte, en présentant des avancées dans les techniques de caractérisation utilisant la microscopie électronique à transmission et les sources synchrotron de rayons X. Les références des développements techniques et méthodologiques réalisés ont été obtenues sur le nitrure de bore hexagonal (h-BN), un matériau à large bande interdite caractérisé par un transfert de charge important, un paysage défectueux complexe et des propriétés optiques originales.

La première partie de ce travail se concentre sur les améliorations apportées à la microscopie électronique à transmission à balayage quadridimensionnelle (4D-STEM), qui s’est récemment imposée comme un outil puissant permettant d’obtenir simultanément des déterminations structurelles précises et de saisir les détails des champs électriques locaux et des densités de charge. L’extraction précise de données quantitatives à l’échelle atomique pose des défis, principalement en raison de la propagation de la sonde et des effets liés à la taille qui, lorsqu’ils sont négligés, peuvent même conduire à des interprétations erronées des effets qualitatifs. Ce travail établit la précision de la technique pour la mesure des champs électriques et des densités de charge dans les matériaux minces par le biais d’une étude complète sur des plaquettes de h-BN vierges et défectueux. Grâce à une combinaison d’expériences et de simulations numériques, il est démontré que si la quantification précise des charges sur des sites atomiques individuels est limitée par les effets de sonde, la technique 4D-STEM peut mesurer directement les phénomènes de transfert de charge au bord d’une monocouche de h-BN avec une sensibilité de quelques dixièmes d’électrons et une résolution spatiale de l’ordre de quelques angströms.

La deuxième partie de cette thèse traite de la mise en œuvre d’une nouvelle installation de luminescence optique excitée par les rayons X (XEOL) à la branche de diffusion inélastique résonnante des rayons X (RIXS) de la ligne de faisceau de rayons X mous SEXTANTS du synchrotron SOLEIL. La combinaison de RIXS et de XEOL ouvre de nouvelles possibilités pour les études corrélées des phénomènes d’excitation et de recombinaison dans la gamme d’énergie du visible et de l’UV lointain. La synchronisation de la caméra d’acquisition du spectromètre XEOL avec le monochromateur de rayons X de la ligne de faisceau permet d’acquérir des spectres de luminescence complets tout en balayant l’énergie du rayonnement incident à travers le bord d’absorption du noyau d’un élément donné. À partir des cartes 2D de l’énergie d’excitation en fonction de la luminescence ainsi obtenues, il est possible d’associer des structures fines spécifiques des seuils d’absorption à des caractéristiques de luminescence bien définies. Des références ont été obtenues sur du nitrure de bore cubique et hexagonal parfait et dopé, avec des résultats acquis dans l’UV lointain comparables aux techniques optiques de pointe. L’analyse des structures fines des seuils d’absorption du h-BN a permis d’associer les émissions de faible énergie à la présence de liaisons B-O. Enfin, l’application de XEOL à l’étude de la luminescence d’une hétérostructure verticale composée de monocouches h-BN/WS2 a permis de mieux comprendre le mécanisme de transfert de l’excitation entre les couches.

Le jury est :
Pr. Abhay SHUKLA, IMPMC, Sorbonne Université  (Rapporteur)
Dr. Hanako OKUNO,  IRIG-MEM, CEAGrenoble (Rapporteure)
Pr. Julien BARJON, GEMaC, Université Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (Examinateur)
Dr. Andrei ROGALEV, ESRF (Examinateur)
Dr. Alessandro NICOLAOU, Synchtron SOLEIL (Invité)
Dr. Alberto ZOBELLI, Université Paris-Saclay (Directeur de thèse)