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Jonctions ultrafines réalisées par empilement de matériaux 2D: nouveaux constituents de base pour l'électronique – J2D

Matériaux bidimensionnels, des briques de base pour une nouvelle électronique ?

Les matériaux 2D présentent des propriétés électroniques très intéressantes. Ils offrent de plus la possibilité d'être juxtaposés dans un même plan ou empilés presque à volonté pour coupler ces propriétés ou en générer de nouvelles. L'objectif du projet est d'étudier les jonctions de matériaux 2D, planaires et verticales tout en maîtrisant toute la chaîne depuis la fabrication des échantillons jusqu'à l'étude des premiers dispositifs et la modélisation.

Des matériaux isolés aux structures obtenues par empilement ou juxtaposition dans un même plan

L’obtention d’un feuillet unique de graphène en 2004 suivi de l’engouement pour l’ensemble des matériaux lamellaires (h-BN, dichalcogénures de métaux de transition) a ouvert la voie à de nouveaux dispositifs électroniques de haute performance. Ces matériaux sont dits bidimensionnels ou lamellaires car ils ne sont épais que d’un à quelques (3 dans ce projet) plans d’atomes. Les propriétés déjà exceptionnelles de chacun de ces matériaux (métal, isolant, semiconducteur, mais aussi magnétisme, supraconductivité, topologie), peuvent être combinées en les empilant, la liaison Van der Waals entre plans successifs est alors à la base de l'assemblage des hétérostructures verticales. Ils peuvent aussiêtre juxtaposés dans un même plan. Le projet J2D a eu pour objectif la création de jonctions en utilisant différents types de matériaux bidimensionnels (métal, semiconducteur, isolant) pour explorer les propriétés de l’interface jusqu'à l'échelle atomique et les corréler à des mesures de phototransport.

Le projet J2D couvre l’ensemble des étapes, de l'obtention des matériaux aux dispositifs, en se focalisant sur les points fondamentaux. Le plan de travail s'est articulé en quatre parties: élaborer les matériaux, les empiler, étudier les propriétés des jonctions et proposer quelques dispositifs nouveaux. A chaque étape, différentes techniques expérimentales (AFM, STM, KPFM, Raman, Photoluminescence, transport) et de la modélisation ont été couplées de manière à bénéficier de leur apports réciproques et ainsi choisir la meilleure direction pour l’étape suivante.
Les matériaux ont été obtenus soit par croissance (CVD sur différents substrats ou graphitisation du SiC) soit par exfoliation puis caractérisés par différentes techniques afin de déterminer leur qualité cristalline, leur taille et de vérifier leurs propriétés électroniques. Des jonctions planaires ont été réalisées par CVD tandis que des techniques d’exfoliation ont été utilisées pour fabriquer les briques de base des structures verticales.
Les propriétés électroniques et optiques des hétérostructures ont été étudiées en couplant analyse à l’échelle atomique (STM, DFT) et macroscopique (KPFM, Raman, PL, transport).

Des verrous technologiques et scientifiques ont été levés: maîtrise de la croissance et de l’intercalation, dopage, réalisation d’échantillons en configuration de dispositifs, transfert ...
Différentes approches théorique et expérimentales ont été couplées pour élucider la nature de défauts observés, étudier des jonctions horizontales démontrant la qualité de l’interface de type II.
La maîtrise des techniques d'empilement, y compris sous atmosphère contrôlée, permet de réaliser des structures dont la qualité à été démontrée.
Deux actions découvertes de ces matériaux sont opérationnelles.

L'étude des matériaux 2D et surtout des propriétés arrivant de leur juxtaposition va se poursuivre notamment pour analyser l'effet de rotation dans les empilements (projet FlatMoi déposé cette année)
La collaboration SyMMES - Néel se poursuit sur les dichalcogénures de métaux de transition notamment dans le cadre du projet MATRA2D ANR 2020.

Une thèse a été financée par le projet. Van Dung NGUYEN l'a soutenue en 2019. Deux autres thèses théoriques, non financées ont largement bénéficié du projet.
22 articles ont été publiés dont 9 commune à au moins 2 partenaires.

L’obtention d’un feuillet unique de graphène en 2004 suivi de l’engouement pour l’ensemble des matériaux lamellaires (h-BN, dichalcogénures de métaux de transition) ouvrent la voie à de nouveaux dispositifs électroniques de haute performance. Épais d’un seul plan, ces matériaux bidimensionnels peuvent s’empiler artificiellement à volonté, créant ainsi des hétérostructures qui combinent leurs propriétés. Le projet J2D a pour objectif la création de jonctions en utilisant différents types de matériaux bidimensionnels (métal, semiconducteur, isolant) pour explorer les propriétés de l’interface jusqu'à l'échelle atomique et les corréler à des mesures de phototransport. Il couvre l’ensemble des étapes, de l'obtention des matériaux aux dispositifs, en se focalisant sur les points fondamentaux. Le plan de travail s'articule donc en quatre parties: élaborer les matériaux, les empiler, étudier les propriétés des jonctions et proposer quelques dispositifs nouveaux et tester leurs propriétés. A chaque étape, différentes techniques expérimentales (AFM, STM, KPFM, Raman, Photoluminescence, transport) et de la modélisation seront couplées de manière à bénéficier de leur apports réciproques et ainsi choisir la meilleure direction pour l’étape suivante.
Les matériaux seront obtenus soit par croissance (CVD sur différents substrats ou graphitisation du SiC) soit par exfoliation puis caractérisés par ces différentes techniques afin de déterminer leur qualité cristalline, leur taille et de vérifier leurs propriétés électroniques. Le consortium maîtrise déjà l’exfoliation de nombreux matériaux et la croissance de graphène sur différents substrats. Ces approches seront adaptées aux deux TMDC choisis (MoS2 et WS2) pour développer leur épitaxie dans le plan afin de réaliser des jonctions planaires par CVD tandis que les techniques d’exfoliation seront utilisées pour fabriquer les briques de base des structures verticales.
La liaison Van der Waals, entre plans successifs est à la base de l'assemblage des hétérostructures verticales. Nous avons déjà les compétences pour le transfert du graphène et allons étendre ces compétences aux autres matériaux (étape 2). Les propriétés électroniques et optiques de ces hétérostructures seront étudiées au cours de l’étape 3.
Pour chacune de ces trois premières étapes, des verrous technologiques et scientifiques devront être levés: le dopage des matériaux (un point clef de l’industrie de la microélectronique), l'orientation de l'empilement, les impuretés piégées au cours des transferts pour réaliser les empilements et la dimensionalité réduite des jonctions (1D ou 2D, les modèles classiques étant tridimensionnels).
Les structures tridimensionnelles, comme les jonctions pn ou Schottky, le transistor à effet de champ, ont été les composants de base de la microélectronique depuis ses débuts. L'apparition d'une nouvelle technologie, ici l'empilement van der Waals ouvre de nouvelles possibilités, de nouvelles géométries sont accessibles et de nouveaux concepts devront être explorés à l’image de ce qui a été fait avec les hétérostructure de semiconducteurs qui ont engendrés des dispositifs originaux (puits quantique, diode électroluminescente). Cette exploration est le but de l’étape 4.
Chacune de ces étapes fournira des opportunités pour la vulgarisation scientifique avec pour objectif d’expliquer à une large audience ce que le caractère bidimensionnel signifie. Cela prendra la forme d’un démonstrateur pour le physiquarium, une plateforme de vulgarisation de l’institut Néel. Un simulateur de nanomanipulateur fera prendre conscience aux visiteurs de la différence entre liaisons covalents et liaisons Van der Waals et les fera ainsi réfléchir au sens de la liaison.
L’expertise scientifique des partenaires (Institut Néel, LPTM, SPrAM) dans le domaine des matériaux bidimensionnels, leurs compétences complémentaires qui couvrent toutes les étapes et leurs collaborations déjà existantes assurent la réussite du projet.

Coordination du projet

Laurence Magaud (Institut Néel)

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

Néel Institut Néel
SPrAM Structure et Propriétés d'Architectures Moléculaires
LPTM Laboratoire de Physique Théorique et de modélisation

Aide de l'ANR 539 998 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2015 - 42 Mois

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