Propriétés Magnétiques du Graphène Fonctionnalisé par des Assemblages Moléculaires Bidimensionnels – MAGMA

Depuis plus d’une décennie, les nanotubes de carbone et le graphène ont été largement utilisés pour la fabrication de transistors à effet de champ (FET, en anglais) et de détecteurs. Plus récemment, ces matériaux ont été testés pour des applications en électronique de spin (spintronique). Le graphène, tout comme les nanotubes de carbone, présente une grande mobilité électronique mais un faible couplage spin-orbite. Cela signifie qu’un électron polarisé en spin va pouvoir voyager sur de longue distance (de l’ordre du micromètre) sans perdre l’information de spin. Cependant, ces faibles interactions spin-orbite empêchent d’envisager la manipulation et le basculement induit électriquement du spin qui pourrait être la première étape vers la fabrication de « spin-FET ». De récents travaux théoriques ont prédit que la présence d’éléments lourds physisorbés en surface pouvait accroitre les interactions de spin-orbite dans le graphène tout en affectant peu la mobilité électronique. Au-delà de la seule modification du transport, la fonctionnalisation de la surface carbonée peut donc changer radicalement certaines propriétés électroniques du graphène en induisant non seulement du couplage spin-orbite (S-O) et du magnétisme.
MAGMA est un projet de recherche collaboratif fondamental qui vise à créer de nouvelles fonctionnalités dans le graphène par la manipulation contrôlée du spin de l’électron. Pour cela, nous proposons de fonctionnaliser le graphène avec des complexes organométalliques (porphyrines et phtalocyanines métallées) et d’étudier comment ces adsorbats moléculaires déposées que ce soit de façon isolé ou en réseaux organisés peut donner naissance à des systèmes présentant des propriétés accordables grâce à leur couplage au spin des électrons itinérants dans le graphène. Selon leur nature, leur structure et leurs propriétés qui seront définies par leur design ainsi que par leur propension à échanger des charges avec le graphène, les complexes moléculaires peuvent induire du magnétisme ou augmenter les couplages spin-orbite dans le graphène.
Jusqu’à récemment, l’influence de la présence de dopants ou de molécules sur les dispositifs à base de graphène et l’organisation de molécules sur graphène étaient traitées séparément. La fonctionnalisation contrôlée du graphène peut conduire à des matériaux hybrides possédant des propriétés parfaitement ajustables. Le but du projet MAGMA est de répondre aux questions fondamentales suivantes :

- Comment les molécules s’auto-organisent sur le graphène ? Quel est l’influence du type de graphène et de la couche inférieure ? Comment peut-on générer des réseaux ordonnés sur de grandes surfaces ?
- Quelles sont les mécanismes d’échanges possibles entre les molécules et le graphène ? Comment l’ionisation des molécules peut être contrôlée par un champ électrique ou par l’était initial du graphène ?
- Comment un réseau de molécules contenant des atomes lourds peut induire une modification des interactions S-O dans le graphène ? Comment ces interactions peuvent être détectées ?
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Pour répondre à ces questions, le consortium combine des expertises complémentaires en nanochimie, en physique des surfaces, en physique mésoscopique, en magnétisme et en modélisation.
Des résultats préliminaires obtenus sur des porphyrines de platine déposées sur du graphène n’ont pas encore révélé d’interactions S-O. Cependant, nous avons observé, par des expériences de magnétotransport de supraconductvité de proximité que du magnétisme pouvait être induit dans des dispositifs électroniques à graphène et contrôlé avec l’application d’une tension de grille.