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Le cousin semiconducteur du graphène


L’électronique actuelle est basée sur les semiconducteurs, c’est-à-dire des matériaux avec une séparation énergétique (bande interdite) entre les bandes de valence et de conduction. La bande interdite permet de contrôler qu’un courant électrique passe ou non, ce qui définit l‘état logique des dispositifs électroniques. Malgré toutes les propriétés remarquables du graphène, celui-ci ne possède pas de bande interdite. En collaboration avec GeorgiaTech, des chercheurs du LPS et de SOLEIL ont démontré qu’une monocouche atomique avec la même structure en nid d’abeille que le graphène (la buffer layer) permet d’obtenir une bande interdite plus grande que 500 meV.

L’électronique est basée sur des semiconducteurs. La raison à cela est la barrière énergétique que les électrons doivent vaincre pour conduire à travers ces matériaux. Cette barrière énergétique peut être franchie à l’aide d’un champ électrique, ce qui permet de contrôler le flux de courant. De cette manière, les états logiques 0 (absence de courant) ou 1 (flux de courant) sont générés. Le graphène a des propriétés électroniques remarquables, comme par exemple un transport balistique, mais il ne possède pas de bande interdite. En effet, ses bandes de valence et de conduction, dénommées π et π∗, se touchent et le graphène devient ainsi un matériel à gap nul, ce qui est un problème pour l’électronique conventionnelle.

Dans le contexte d’une longue collaboration avec GeorgiaTech, des chercheurs du LPS et de SOLEIL ont étudié les propriétés électroniques et la structure atomique du graphène sur du carbure de silicium. Ici le graphène croît par recuit du substrat, ce qui induit la sublimation des atomes de Si des dernières couches atomiques. Lorsque cet appauvrissement en Si a lieu sur la face Si du SiC, le carbone se réorganise d’abord dans une couche tampon (la buffer layer). Cette couche atomique a la structure atomique en nid d’abeille caractéristique du graphène, mais non ses propriétés électroniques. Sur cette couche tampon croît par la suite le graphène.

Nevius et al. ont étudié les propriétés électroniques de la couche tampon par photoémission résolue en angle (ARPES) [1,2]. Cette technique permet de mesurer la bande de valence des matériaux en les illuminant avec des photons et en détectant l’angle d’émission et l’énergie cinétique des électrons photoexcités. De cette manière il a été observé la plus grande bande interdite sur le graphène épitaxié (au delà de 0,5 eV). Cette bande interdite est d’ailleurs localisée au niveau de Fermi, une propriété importante pour que le graphène devienne un matériel avec des perspectives réellement adaptées aux applications.

Références :


[1] M. S. Nevius, M. Conrad, F. Wang, A. Celis, M. N. Nair, A. Taleb-Ibrahimi, A. Tejeda, and E. H. Conrad.
Semiconducting Graphene from Highly Ordered Substrate Interactions
Physical Review Letters 115, 136802 (2015).
[2] A. Lanzara, Physics 8, 91 (2015).

Contact :

Antonio Tejeda