Croissance de germanene sur substrats à bande interdite – GERMANENE

Ce projet vise à réaliser la croissance du germanène, l'équivalent pour le germanium du graphène, et à étudier la physique des fermions de Dirac dans ce matériau bidimensionnel (2D). En effet, le germanène se différencie des systèmes à structure électronique 2D conventionnels et du graphène par une structure atomique en nids d’abeille gauchie et un couplage spin-orbite conséquent. Un tel système ouvre un vaste champ d’études fondamentales en physique de basse dimensionnalité. Basé sur l'expertise récemment acquise avec la croissance de germanene sur un cristal d’Al(111) par les partenaires de ce projet, nous voulons explorer la réalisation d’héterostructures composées de germanene et de substrats lamellaires, liées uniquement par des interactions de van der Waals. Pour atteindre cet objectif, notre consortium dispose d’outils de caractérisation de pointe à l'échelle nanométrique: le rayonnement synchrotron, la microscopie en champ proche à basse température utilisant des pointes multiples combinée avec une spectroscopie optique résolue en temps. Cette analyse du matériau basée sur une caractérisation multi-physique poussée sera comparée avec des calculs réalisés dans le cadre la théorie de la fonctionnelle densité (DFT), afin de montrer la corrélation entre l'arrangement atomique et la structure de bande du germanene, et montrer comment la nature du substrat perturbe les propriétés structurelles et électroniques du germanène. Les caractéristiques principales auxquelles nous porterons toute notre attention sont les cônes de Dirac au voisinage du niveau de Fermi, la largeur de la bande interdite, la mobilité des porteurs dans le germanène et le transfert de charge entre le germanène et son substrat. Aussi, nous nous efforcerons de démontrer l'existence de l'effet de Hall de spin, attendu pour le germanène en raison du couplage spin-orbite important. D’autres caractéristiques très intéressantes seront regardées avec attention, comme les défauts et des déformations de réseau, à l’origine des transformations topologiques, comme les déformations de Kekulé. Vu la forte réactivité attendue du germanène lors d’une exposition à l’air, qui limiterait sérieusement son utilisation dans des applications de type spin/opto-electronique, une partie du projet est consacrée à l’encapsulation du germanène. Nous voulons réaliser la croissance de germanène sur des films ultra-minces d’aluminium Al(111) déposés sur un substrat de Si(111). Un feuillet de cristal 2D protègera le germanene après dépôt de germanene sur les couches minces d’aluminium. Le cristal de Si sera éliminé par la suite et la couche d’Al oxydée, permettant d’obtenir une couche de germanene sur feuillet lamellaire liée par des interactions de type van der Waals. Parallèlement à ces expériences, nous développerons une instrumentation innovante, comme la spectroscopie Raman sous l'ultravide qui est un outil de choix pour caractériser les matériaux 2D. Les entreprises françaises qui sont impliquées dans les projets Equipex et Labex de deux des partenaires bénéficieront de transfert de technologie de ces innovations instrumentales. Les progrès dans le domaine de la synthèse du germanène, dans la compréhension de la physique de ce matériau et dans la conception et la réalisation d'outils adaptés à son étude devraient ouvrir la voie à l'intégration future du germanène dans des composants à la fin de ce projet.