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Jérôme Lagoute - Université Paris Diderot

Propriétés électroniques du graphène dopé


Le graphène est un monofeuillet de carbone dont les propriétés chimiques et électroniques sont très prometteuses pour développer des applications dans différents domaines et explorer au niveau fondamental le comportement des électrons dans des systèmes à basses dimensions. Dans ce contexte il est intéressant d’être capable de contrôler la structure électronique du graphène pour obtenir de nouvelles fonctionnalités. Le dopage obtenu en substituant des atomes d’azote à des atomes de carbone est une voie très explorée pour atteindre cet objectif.
Dans cet exposé, les propriétés électroniques du graphène pur et dopé à l’échelle atomique par microscopie (STM) et spectroscopie (STS) à effet tunnel à basse température seront présentées. Dans le cas du graphène non dopé les joints de grain ont été étudiés et une transition structurale en fonction de l’angle de désorientation a été mise en évidence [1]. Lorsque des atomes d’azote sont insérés dans le graphène, les mesures de spectroscopie révèlent que le dopage induit un décalage du point de Dirac mais aussi la formation d’un état résonant localisé autour des atomes d’azote [2]. Par conséquent l’effet du dopage s’écarte de l’effet attendu dans un modèle simple de bande rigide. Une étude détaillée de la structure du graphène dopé montre que les atomes d’azote se répartissent de manière quasi-aléatoire et que différents types de paires d’azote distantes de quelques sites atomiques peuvent se former. Les états localisés peuvent alors se combiner pour former l’équivalent d’états liants d’une molécule diatomique ce qui conduit à la formation d’états localisés occupés dans le graphène [3]. Le graphène dopé a ensuite été étudié en présence d’adsorbats organiques [4]. Des molécules tétraphényl-porphyrine (H2TPP) ont été déposées sous ultra-vide pour étudier le couplage électronique avec le graphène. Les mesures montrent que ce couplage est faible comparativement au cas de substrats métalliques. La spectroscopie tunnel locale révèle que les molécules situées à proximité d’un atome d’azote voient leurs états moléculaires déplacés vers les basses énergies ce qui traduit un transfert de charge du graphène vers les molécules sur les sites dopants (voir figure). La microscopie tunnel permet ainsi de comprendre comment le dopage permet de moduler les propriétés du graphène pour contrôler sa structure électronique, l’interaction avec des molécules ou l’injection tunnel d’électrons

[1] Y. Tison et al., Nano Lett. 14, 6382 (2014)
[2] F. Joucken et al., Phys. Rev. B, 85 161408 (R) (2012)
[3] Y. Tison et al., ACS Nano 9, 670 (2015)
[4] V. D. Pham et al., ACS Nano 8, 9403 (2014)

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