DS07 - Société de l'information et de la communication

Electroluminescence en spin polarisés dans les couches minces de phosphore noir – EPOS-BP

Résumé de soumission

Le projet EPOSBP concerne le Phosphore noir (BP) qui a rejoint la famille des matériaux 2D seulement très récemment, en 2014. Le premier représentant de cette nouvelle classe de matériaux est le graphène, isolé il y a 10 ans, dont la découverte a suscité une intense activité de recherche. Cependant l’absence de gap électronique du graphène a lancé une quête de nouveaux matériaux 2D. Le champ de recherche s’est ainsi progressivement enrichi de nouveaux éléments tels que le nitrure de bore (hBN) et plus récemment la famille des dichalcogénures de métaux de transition (par exemple MoS2), conduisant à l‘émergence d’une famille étendue de matériaux 2D de type van der Waals. Dans le domaine particulier de l’optoélectronique, les progrès sont restés cependant limités à cause de l’impossibilité de combiner dans un même matériau un gap direct ET une mobilité élevée des porteurs de charge.
Sur ce terrain, le Phosphore noir (BP) a suscité un intérêt explosif depuis 2014 car il présente les propriétés majeures que l’on attend pour des dispositifs en optoélectronique : (1) des mobilités élevées des electrons et des trous dans les films minces de BP exfolié (~3000 cm2 V-1 s-1), (2) un rapport de courant ON/OFF élevé (~105) dans les configurations de transistor de type ambipolaire, (3) le gap électronique est prédit rester direct du matériau massif à la monocouche, faisant du BP un matériau de premier ordre pour des applications optiques.
La structure électronique près du niveau de Fermi dépend fortement du nombre de plans atomiques, qui se traduit par une augmentation de la bande interdite depuis de le domaine de l’infra rouge moyen (0.35 eV) dans le massif au domaine visible (2 eV) dans la monocouche atomique. De ce fait, BP présente un domaine spectral unique dans le paysage des matériaux 2D. Cependant, alors que les résultats publiés en ce début de 2017 semblent mettre en relief les propriétés spécifiques de films ultrafins de BP, très peu est en revanche établi sur le plan expérimental. Par ailleurs, grâce à son couplage spin-orbite naturellement faible, le phosphore noir pourrait préserver de façon très efficace le temps de spin des porteurs de charge, comme dans le graphène, mais avec l’avantage d’un matériau semi-conducteur. Cette situation est clairement une grande opportunité pour le transport des spin et la spintronique.
L’objectif de EPOSBP est d’explorer de façon approfondie ces propriétés uniques du BP et de les capitaliser pour obtenir de nouveaux matériaux plans optiquement actifs depuis le domaine visible jusqu’au domaine de l’infra rouge. La réponse diélectrique aussi bien que les comportements électroniques et l’injection de spin dans des transistors de BP seront étudiés pour aboutir à réaliser une émission de lumière modulable et pilotable électriquement. Le projet est composé en trois tâches: 1) acquérir les connaissances de base des propriétés du phosphore noir de façon à définir un ensemble robuste de techniques spectroscopiques de caractérisation destinées à faciliter l’intégration du BP dans les dispositifs, 2) fabrication et caractérisation des dispositifs, 3) fabrication des transistors de BP et étude de l’électroluminescence et du transport de spin et démonstration de l’émission de lumière pilotée par le spin.

Le projet EPOSBP constitue un partenariat étendu qui inclut les meilleurs spécialistes et compétences sur le Phosphore noir 2D et la spintronique, alliés à des spécialistes des techniques de caractérisation les plus avancées et les plus pertinentes pour le projet, de l’intégration des matériaux 2D dans des dispositifs et de spécialistes les mieux à même de démontrer le potentiel du BP pour élaborer des dispositifs innovants dans les domaines de l’électroluminescence et le transport de spin modulable. La forte implication du partenaire industriel, Thales, avec des intérêts majeurs dans le domaine des semi-conducteurs, facilitera fortement la montée en TRL potentielle du projet.

Coordination du projet

Annick LOISEAU (Laboratoire d'étude 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

TRT THALES RESEARCH & TECHNOLOGY
GEMaC Groupe d'études de la matière condensée
CNRS DR04 Unité mixte de physique CNRS/Thalès
CNRS-LEM Laboratoire d'étude des microstructures

Aide de l'ANR 651 603 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2017 - 48 Mois

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