Propriétés électroniques d'antimonène sous contrainte et des hétérostructures graphène/antimonène – SAGA

Pour atteindre nos objectifs, nous employons une combinaison de techniques expérimentales et théoriques de pointe :

Spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES) : Permet de cartographier directement la structure de bandes électroniques de l’antimonène sous contrainte et sans contrainte.

Microscopie à effet tunnel (STM) et spectroscopie (STS) : Fournit une compréhension à l’échelle atomique des propriétés électroniques locales de l’antimonène et de ses interfaces avec le graphène.

Calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) : Complètent les données expérimentales et prédisent les modifications des bandes électroniques sous différentes contraintes.

Nos recherches ont révélé plusieurs découvertes majeures concernant l’antimonène et ses interactions avec les surfaces métalliques :

Forte hybridation avec les surfaces métalliques : Nos études spectroscopiques ont mis en évidence une hybridation électronique marquée entre l’antimonène et les surfaces métalliques sur lesquelles il est déposé. Cette interaction modifie significativement la structure de bandes de l’antimonène et doit être prise en compte pour son intégration dans des dispositifs électroniques.

Interaction spin-orbite renforcée à l’interface Sb/Métal : L’interaction spin-orbite intrinsèque de l’antimonène est considérablement amplifiée au contact d’un substrat métallique. Ce phénomène peut jouer un rôle clé dans l’émergence d’effets topologiques et ouvre des perspectives pour des applications en spintronique et en électronique quantique.

Modification de la structure de la couche superficielle d’or:

L’adsorption de l’antimoine sur une surface d'or entraîne une réorganisation notable de la couche atomique superficielle du métal, qui acquiert une symétrie rectangulaire au lieu de sa symétrie hexagonale initiale. Cette observation suggère des implications potentielles pour la croissance de matériaux 2D et la modification des propriétés électroniques de la surface métallique.

Ces résultats mettent en lumière l’importance des interactions substrat-matériau dans la manipulation des propriétés électroniques de l’antimonène. Ils ouvrent de nouvelles perspectives pour son utilisation dans des dispositifs électroniques avancés, notamment en spintronique et en électronique flexible.

Les résultats obtenus dans le cadre du projet SAGA ouvrent plusieurs axes de recherche et d’applications potentielles :

Contrôle de l’interaction Sb-métal pour l’ingénierie des interfaces

L’interaction forte entre l’antimonène et le substrat métallique, mise en évidence dans nos études, suggère que la modification contrôlée des interfaces pourrait permettre d’ajuster les propriétés électroniques du système. L’exploration d’autres surfaces métalliques et d’alliages sera essentielle pour mieux comprendre et exploiter cet effet dans des dispositifs fonctionnels.

Exploitation de l’interaction spin-orbite renforcée

L’hybridation électronique entre l’antimonène et le substrat métallique induit une interaction spin-orbite particulièrement forte. Cette propriété pourrait être utilisée pour le développement de dispositifs spintroniques avancés, notamment pour des applications en logique quantique et en électronique de spin. Une étude plus approfondie des états électroniques de spin et de leur dynamique est nécessaire pour confirmer ces perspectives.

Modification structurelle des surfaces métalliques et nouveaux états électroniques

La formation d’une maille rectangulaire sur l'or en présence d’antimonène est un résultat clé qui indique une réorganisation profonde de la surface métallique. Cette découverte pourrait avoir des implications importantes pour la croissance contrôlée d’autres matériaux 2D sur métaux, ainsi que pour la conception de nouvelles surfaces catalytiques aux propriétés électroniques ajustables.

La recherche sur les matériaux bi-dimensionnels (2D) connaît actuellement un essor extraordinaire. Deux objectifs animent principalement ce domaine scientifique : la fabrication et la caractérisation de nouveaux matériaux 2D et l'empilement vertical de cristaux 2D différents avec les propriétés souhaitées (hétérostructures de van der Walls). A cet égard, l'antimonène est très intéressant. C'est un semi-conducteur trivial dont il est prédit qu’il deviennent isolant topologique sous contrainte. De plus, l'interface antimonène / graphène a été proposée pour des applications énergétiques notamment pour les batteries, pour l'électrocatalyse et les supercondensateurs. Dans ce projet, nous allons d'abord étudier expérimentalement, pour la première fois, la structure de bande électronique de l'antimonène sous contrainte en sondant l'existence de la phase topologique. Une fois réalisé, l'antimonène sous contrainte sera un candidat très prometteur pour l'observation de l'effet Hall de spin quantique à température ambiante, ce qui constitue un pas en avant vers l'utilisation d'isolants topologiques 2D dans des dispositifs électroniques à faible consommation d'énergie.
Deuxièmement, nous produirons et aborderons la structure électronique d'une hétérostructure graphène / antimonène. Avec notre méthode de croissance d'échantillons, nous serons en mesure de fabriquer une hétérostructure où la structure de bande du graphène et celle de l'antimonène sont situées dans la même région de l'espace réciproque ce qui permettra l'hybridation électronique des deux constituants. Nous sonderons alors le transfert de la protection topologique de l'antimonène sur les propriétés électroniques du graphène par effet de proximité.
Si le transfert est efficace, nous aurons alors une nouvelle hétérostructure de van der Waals dans laquelle seront présentes et couplées à la fois l'exceptionnelle mobilité des électrons du graphène et la protection topologique de l’antimonène.
De plus, le graphène agira comme une membrane protectrice contre l'oxydation, rendant le système adapté à la fabrication de dispositifs.