Super réseau sur graphène induit par auto-assemblage de zwitterions – SUPERZIC

Imposer un effet de moiré par la superposition de matériaux 2D est récemment apparue comme une approche efficace pour modifier la structure de bande dans les hétérostructure de van der Waals. En particulier, il a été démontré que le super-réseau résultant de cet empilement pouvait conduire à l’émergence de bandes quasi-plates entrainant la formation de matériaux à électrons fortement corrélés, plus couramment appelé matériaux quantiques. L’émergence de cette propriété de bande n’est toujours pas complètement comprise ni maitrisée mais elle est une conséquence des paramètres du super-réseau. Aujourd'hui, ces expériences sont menées uniquement sur des hétérostructures inorganiques de van der Waals dans lesquelles la modulation spatiale et l'amplitude du potentiel électrostatique du super-réseau résultant sont définitivement fixées par celles des couches inorganiques 2D utilisées. Le concept de ces hétérostructures est suffisamment polyvalent pour envisager le remplacement d'une couche inroganique par un auto-assemblage 2D de molécules organiques. L'hétérostructure hybride organique / inorganique (h-vdW-H) ainsi crée formera également un super-réseau dont les paramètres de maille et l’amplitude du potentiel seront modulable. Notre objectif est d'utiliser la polyvalence de la synthèse chimique pour contrôler la formation du super-réseau et ses propriétés associées. Ce projet vise le développement d'hétérostructures hybrides organiques / inorganiques basées sur des auto-assemblages de molécules zwitterioniques déposées sur du graphène qui permettent une structuration efficace du potentiel de surface des matériaux 2D. Notre méthodologie consiste à exploiter le haut degré d’ ingénierie chimique des zwitterions, molécules qui possèdent un fort dipôle interne, afin d’introduire un contrôle précis du super-réseau ainsi créé. Ce projet est structuré en 3 work packages (WP). Le WP1 fournit un protocole fiable pour la synthèse des h-vdW-H. Le WP2 sera consacré à la caractérisation de ces h-vdW-H et spécialement du super-réseau induit. Les effets locaux des dipôles moléculaires sur la structure électronique du graphène tels que la modification du potentiel électrostatique, la densité électronique, le transfert de charge ou éventuellement la signature d'une structure de bande électronique plate seront caractérisés à l'échelle moléculaire par microscopie à sonde locale à basse température. À l'échelle mésoscopique, le dopage et la mobilité des porteurs seront déterminés quantitativement en combinant des mesures à effet Hall et 4 pointes dans un environnement de salle blanche et sous vide, à basse température et à l’ambiante. Ces mesures mésoscopiques seront complétées par une cartographie Micro-Raman qui permettra d'accéder aux réponses vibrationnelles du graphène et des molécules adsorbées. Des informations telles que le dopage moyen du graphène et la déformation induite par la présence du réseau moléculaire seront extraites de l’analyse et de la comparaison des réponses Raman du graphène avant et après le dépôt des molécules. Toutes ces études seront appuyées par des simulations lors du WP3. Nous étudierons la structure électronique du motif supramoléculaire formé par les molécules zwitterioniques sur le graphène par des calculs ab initio pour évaluer l'influence des molécules zwitterioniques physisorbées sur la structure de bandes du graphène. La dernière étape de WP3 sera consacrée à la simulation des propriétés de transport quantique basées sur la fonction de Green hors équilibre dans le schéma de Landauer-Büttiker implémenté sur un hamiltonien à liaison forte dans l’espace réel. Tout au long de nos investigations, nous nous interrogerons sur les conditions d'émergence des bandes plates et étudierons la signature éventuelle d'un système à électrons fortement corrélés dans nos systèmes hybrides.