Croissance par EJM et caractérisation avancée d’hétérostructures van der Waals sur grandes surfaces – 2D-CHARM

Le concept d'hétérostructures de van der Waals (vdW) est apparu comme un moyen prometteur pour concevoir de nouveaux méta-matériaux bidimensionnels (2D) dotés de nouvelles propriétés hybrides. L’empilement de différents cristaux 2D favorise des effets synergiques qui génèrent de nouvelles fonctionnalités sans précédent. Jusqu'à présent, une grande variété de propriétés exotiques ont été étudiées dans les hétérostructures vdW assemblées par empilement de flocons exfoliés. Un verrou technologique pour leur intégration dans les applications réside dans leur taille limitée et leur compatibilité avec une production à grande échelle. La réalisation sur de grandes surfaces d’hétérostructures vdW monocristallines constitue donc une étape cruciale vers les applications.
Dans 2D-CHARM, nous développerons la synthèse directe d'hétérostructures vdW à grande échelle et de bonne qualité cristalline par épitaxie par jets moléculaires (EJM). Ils seront composés d'un isolant 2D en nitrure de bore hexagonal (hBN) et de matériaux ferroélectriques 2D (2D-FE : SnSe ou In2Se3). De telles hétérostructures 2D-FEs/hBN sont des éléments de base très prometteurs pour différentes applications, notamment les mémoires ferroélectriques non volatiles ultra-compactes et les matériaux multiferroïques artificiels.
Le développement de la croissance sera fortement soutenu par une caractérisation avancée fournissant une image complète de la structure des matériaux. Notre approche analytique s'étendra du millimètre jusqu'à l'échelle atomique, en utilisant des techniques de pointe basées sur la microscopie électronique à transmission età balayage (STEM). En particulier, le STEM quadridimensionnel (4D) sera utilisé pour obtenir des ensembles complets d'informations structurales, qui seront combinées avec les résultats d'autres techniques conventionnelles, notamment la diffraction des rayons X. De plus, le 4D-STEM permet de mesurer la phase et donne ainsi accès à la distorsion atomique ainsi qu'au champ électrostatique local à l'échelle atomique. Par conséquent, l’utilisation de la résolution atomique de la technique 4D-STEM sur les hétérostructures 2D-FE/hBN permettra d’en déduire la relation entre les propriétés structurales à l’échelle atomique et les polarisations locales associées qui seront mesurées par microscopie à force piézoélectrique et par microscopie à sonde de Kelvin dans des configurations pouvant être directement intégrées dans les dispositifs. .
L'objectif final de ce projet est de réaliser un empilement vdW à grande échelle et de haute qualité de 2D-FEs/hBN par croissance EJM. Pour cela, nous relèverons trois défis ambitieux :
i) la croissance de multicouches de hBN de haute qualité et à grande échelle
ii) la croissance contrôlée de 2D-FEs sur le hBN synthétisé
iii) la compréhension fondamentale des propriétés ferroélectriques des matériaux 2D
Dans le projet, nous rassemblerons les expertises complémentaires des partenaires, essentielles pour atteindre les objectifs. En particulier, une interaction efficace entre la croissance par EJM et la caractérisation avancée stimulera le développement de hBN et de FE 2D sur de grandes surfaces.