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Basse dimensionnalité et influence de la nanostructuration

Basse dimensionnalité et influence de la nanostructuration

Nanorubans de graphène : transport ballistique et bande interdite

Transport ballistique dans les rubans de graphène

GeorgiaTech a développé une méthode originale pour créer des rubans de graphène. Une première étape de lithographie permet de placer des rubans à volonté sur une surface de SiC, et un recuit postérieur favorise la croissance de rubans de graphène sur certaines facettes de la surface. Nos mesures de photoémission montrent la structure électronique du graphène idéal (bandes linéaires et dopage pratiquement nul) sur le corps principal de ces rubans. Ces rubans présentent un transport électronique ballistique sur des longueurs d’au moins 16 μm à température ambiante, d’après les mesures de transport faites à GeorgiaTech et à l’Université de Hannover.

A gauche, structure électronique sur le ruban de graphène obtenue par photoémission. A droite, mesures de transport en fonction de l’espacement entre les sondes pour différentes températures de recuit des rubans. Toutes les courbes convergent à h/e2. Figures de J. Baringhaus et al., Nature 506, 349 (2014).

Ce transport ballistique pourrait être favorisé par les bords de rubans avec une faible densité de défauts, comme le montrent nos images STM. Les défauts en effet donnent lieu sur d’autres rubans à une bande interdite de transport qui est absente dans le cas de ces rubans, selon nos mesures de spectroscopie tunnel.

Dans tous les cas, le transport ballistique à température ambiante est une observation clef pour l’exploitation de dispositifs à basse dissipation de chaleur, propriété très intéressante pour la miniaturisation extrême des dispositifs.

Microcopie et spectroscopies tunnel sur les rubans. Images STM sur les trois régions du ruban (terrasse supérieure, facette et terrasse inférieure). Sur les terrasses, la structure est différente de celle du graphène et une bande interdite est présente. Sur la facette, on apprécie le graphène ainsi que son spectre caractéristique. Image de J. Baringhaus et al., Nature 506, 349 (2014).

D’autres références

Fait marquant dans Nature Physics News & Views 10, 182 (2014).

Communiqué de presse CNRS : http://www2.cnrs.fr/presse/communique/3419.htm.

Page de garde du rapport d’activités du CNRS 2013.

Bande interdite dans des minirubans

Nos mesures de microscopie à effet tunnel et de microscopie électronique à transmission nous ont renseigné sur la structure transverse des rubans et sur la topographie de la dernière couche atomique. Le corps principal des nanorubans de graphène est entouré par des régions où le substrat de SiC a des minifacettes. Le graphène croît par dessus de toutes ces minifacettes ainsi que sur la facette principale. Par dessus toutes ces régions du substrat, il est possible de faire croître une couche de graphène unique. Nous avons vu par photoémission que les propriétés électroniques de la couche de graphène changent selon la position sur le substrat. Ainsi, sur les minifacettes, il apparaît des minirubans de graphène. Ces minirubans sont attachés au SiC par leurs extremités à une région semiconductrice. Le graphène, entre ces parties attachées, est decouplé du substrat et il présente une bande interdite de plus de 500 meV à cause du confinement électronique dans un mini-riban de toute petite taille (1 à 2 nm de largeur).

Schéma de la structure et détails de la structure adaptés avec permission depuis I. Palacio et al., Nano Lett. 15, 182 (2015). Copyright 2015 American Chemical Society. Données de photoémission de J. Hicks et al., Nature Phys 9, 49 (2012).

Confinement électronique dans des réseaux auto-organisés

La croissance de systèmes auto-organisés peut être utilisée pour induire des changements électroniques dans le substrat. En effet, la localisation des états de surface dans les dernières couches atomiques les rend sensibles aux changements des dernières couches atomiques des matériaux. Les systèmes auto-organisés peuvent donc modifier de manière périodique le potentiel de surface. C’est précisément le cas sur des îlots de Co sur une surface d’Au échelonnée, où l’état de surface est confiné par la présence des îlots de Co et les marches de la surface. La périodicité du système permet par ailleurs d’utiliser la photoémission pour déterminer sa structure de bandes et remonter ainsi au potentiel de surface.

A gauche, image de conductance tunnel d’un système auto-organisé d’îlots de Co sur un substrat échelonné d’Au. La présence d’intensité au centre de quatre îlots reflète le confinement électronique de l’état de surface. A droite, simulation des mesures de photoémission pour déterminer le potentiel dans la surface induit par les îlots de Co.

"Interacting quantum box superlattice by self-organized Co nanodots on Au(788)". C. Didiot, A. Tejeda, Y. Fagot-Revurat, V. Repain, B. Kierren, S. Rousset, et D. Malterre, Phys. Rev. B 76, 081404(R) (2007).

Première observation directe de la dispersion idéale dans le graphène

Le graphène sur la face terminée en carbone du SiC a une dynamique de croissance pour la même température beaucoup plus élevée que sur la face terminée en silicium. Cela conditionne l’empilement des plans de graphène avec des angles différents de 60°, qui est l’angle caractéristique du graphite et de la face terminée en Si. L’empilement étant différent de celui du graphite, les propriétés électroniques du graphène idéal son preservées. Nos mesures de photoémission ont mis en évidence de manière directe ce point. Les bandes sont parfaitement linéaires pour les différentes couches empilées et le dopage de chaque couche de graphène est pratiquement nul, car le point de Dirac se trouve au niveau de Fermi.

Figure d’après M. Sprinkle et al., Phys. Rev. Lett. 103, 226803 (2009). Copyright 2009 de l’American Physical Society." http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.103.226803