– GraphSiC

Les propriétés de transport du graphene (un plan atomique d'atomes de carbone) font de ce gaz d'électrons bidimensionnel de haute mobilité un système prometteur. Le transport est balistique avec un large parcours moyen élastique et une forte cohérence de phase à basse température. Récemment l'Effet Hall Quantique (particulier dans ce système) a même été observé à température ambiante. Le graphene est donc d'ores et déjà un matériau intéressant pour l'étude de phénomènes de physique fondamentale et de façon plus prospective pour la réalisation de composants pour la nano-électronique. - Expérimentalement, deux approches sont possibles pour fabriquer du graphene. Les premières mesures ont été faites à partir de graphite exfolié jusqu'a isoler un unique feuillet. On peut également exploiter les reconstructions de surface du SiC qui aboutissent par sublimation du Si à la graphitisation du substrat. Dans les deux cas le graphene est supporté par un substrat ce qui influence vraisemblablement ses propriétés électroniques (par transfert de charge à l'interface ou du fait de la présence de défauts diffuseurs). Cette influence du substrat a jusqu'à présent été très peu considérée dans les études menées sur ce matériau et c'est précisément ce que nous proposons d'inclure dans notre projet. - La technique de fabrication par sublimation permet la réalisation de graphene épitaxial sur des dimensions macroscopiques qui sont compatibles avec une caractérisation fine en utilisant les techniques de la physique des surfaces. De plus l'interface graphene/substrat obtenu par sublimation est plus reproductible qu'en rapportant un feuillet exfolié. Il est par ailleurs envisageable d'ajuster ses propriétés par post-traitement physico-chimique. Ce sont les raisons qui nous ont amené à privilégier l'étude du graphene épitaxial. - Le but de ce projet est l'étude des propriétés structurales et électroniques du graphène épitaxial jusqu'à la mise en œuvre de mesures de transport. Nous voulons nous concentrer sur des systèmes de quelques feuillets de graphène sur SiC qui devraient présenter les propriétés les plus remarquables. L'effort expérimental est mené en parallèle à un travail théorique dédié aux mêmes aspects : des structures atomiques et électroniques jusqu'aux propriétés de transport sur des objets proches des systèmes réels. - Nous allons graphitiser la surface de différents polytypes de SiC dans le but de comprendre le rôle du substrat. Les études débuteront par les formes hexagonales (4H et 6H) sur lequel la formation de couches de graphène a été mise en évidence. La possibilité de graphitiser des substrats cubiques (plus avantageux d'un point de vue des applications) sera aussi envisagée (peu d'informations sont disponibles sur ce point). Dans tous les cas, nous essayerons de contrôler le nombre de plans de graphène et nous analyserons leur structure atomique en détail. Nous chercherons à mettre au point des post-traitements visant à modifier l'interaction substrat-graphène et/ou la structure électronique des plans de graphène. La structure électronique des matériaux (bruts ou traités) sera analysée par photoémission ou spectroscopie tunnel. - Nous étudierons les propriétés de transport des meilleurs échantillons ainsi obtenus à différents niveaux de raffinement, allant d'une mesure de résistivité basique sur l'échantillon entier pour évaluer sa qualité à des expériences plus complexes de magnéto-transport sur des couches lithographiées (si opportun). Nous essayerons de coupler aussi étroitement que possible les mesures de transport avec les informations extraites des techniques de surface (STM entre autres). Celles-ci étant sensibles au(x) plan(s) conducteurs cette association devrait être fructueuse. - Le pendant théorique du travail expérimental est conséquent. Selon le problème à traiter (structure atomique, données spectroscopiques, transport), différentes techniques (de l' »ab-initio » au semi-empirique) seront employées en cascade