DS0305 - Apport des nanosciences et nanotechnologies aux matériaux fonctionnels et biotechnologies

Hétérostructures de graphènes blanc et noir – GoBN

Résumé de soumission

Après la découverte du graphène en 2004, et ses conséquences dans le domaine des nanosciences et nanomatériaux, il est apparu un intérêt croissant pour les matériaux 2D et leurs hétérostructures. On peut s’attendre à un impact technologique équivalent à celui provoqué dans les années 80 par l’introduction des hétérostructures de semiconducteurs. Le projet GoBN entre dans ce cadre et se concentre sur les hétérostructures de graphene (Gr) et de nitrure de bore hexagonal (BN), combinaison qui présente un grand intérêt pour l’électronique et l’optoélectronique. En effet les deux matériaux sont mutuellement compatibles avec un même réseau en nid d’abeille et fonctionnellement complémentaires. Le premier, appelé graphène noir, est conducteur comme le graphite; le second est un semi-conducteur grand gap transparent dans le visible, appelé graphène blanc. Il a été montré récemment, par des mesures sur des échantillons exfoliés, que les propriétés de transport du graphène déposé sur BN pouvaient s’approcher des limites intrinsèques du Gr.
Le projet GoBN vise à développer et maîtriser la synthèse de films minces de BN de grande qualité pour servir de substrat pour le dépôt et/ou la croissance épitaxiale de graphène haute mobilité, de diélectrique à faibles pertes pour les dispositifs Gr à effet de champ (FET), de diélectrique ultrafin sur grilles locales pour des dispositifs Gr bipolaires à effet Tunnel de Klein (transistors et photodétecteurs micro-onde) et, dans la version ultime où l’épaisseur atteint quelques couches atomiques, de barrière tunnel pour des diodes Gr à effet tunnel vertical. La plupart de ces applications n’ont pas été développées, et certaines non démontrées, notamment faute de matériau BN de qualité suffisante. Le but du projet GoBN est triple. Le premier vise à développer des voies de synthèse de films BN pouvant servir de support au graphène à une échelle centimétrique. Le second vise à montrer, sur des dispositifs individuels, les possibilités de rupture offertes par les structures Gr sur BN en électronique rapide et en optique, singulièrement les empilements sur des grilles locales qui donnent accès à une électronique de graphène balistique sur le principe d’optique des Fermions de Dirac. Dans une architecture plus classique à effet de champ, la technologie GoBN vise à repousser les limites en fréquence vers le domaine des THz. Le troisième but vise à prouver l’intégrabilité du procédé GoBN à l’échelle de 10mm en utilisant les films minces développés en parallèle et à étalonner les performances obtenues par comparaison à celles des dispositifs individuels.
Le projet aborde la croissance de films de BN sous deux angles indépendants : le premier est celui du dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sur métal qui sera poussé à un haut niveau de contrôle, le rendant compatible avec les applications envisagées. Le second est une approche chimique originale de céramisation de dérivés polymères (PDC) qui a été récemment adaptée pour la synthèse de films fins. Les qualités des deux types de films seront comparées au moyen d’une palette de techniques d’imagerie et de spectroscopies haute-résolution, elles même étalonnées sur des cristaux massifs ou exfoliés de grande pureté. Le couplage des excitons aux défauts structuraux, sera examiné en détail et exploité comme moyen de caractérisation spectroscopique à l’instar de la spectroscopie Raman pour le graphène. Les meilleurs films seront transférés et intégrés dans des dispositifs graphène électroniques et optiques puis testés afin de réaliser le troisième but du projet. GoBN aborde aussi la croissance épitaxiale de graphène sur BN par la méthode CVD. Il s’agit d’une approche émergeante prometteuse en termes de mobilité de graphène mais aussi de fonctionnalité nouvelles liées à la physique encore peu explorée du bicouche Gr-BN ainsi synthétisé, mais qui pourra être étudiée grâce à la palette de moyens réunis dans GoBN.

Coordination du projet

Annick LOISEAU (Laboratoire d'Etude des Microstructures)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LEM Laboratoire d'Etude des Microstructures
GEMAC Groupe d'Etude de la Matière Condensée
MPQ - UMR 7162 Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques
LMI Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces
LPA Laboratoire Pierre Aigrain
GEMAC Groupe d'Etude de la Matière Condensée

Aide de l'ANR 477 725 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2014 - 42 Mois

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