Synthèse d'héterostructures de couches 2D de nitrure de bore et graphène par micro-plasmas – PlasBoNG

Le projet PlasBoNG vise à développer un nouveau réacteur micro-plasma à haute efficacité énergétique fonctionnant à haute pression (100s mbar) et à basse température (<800°C) pour la synthèse sur grandes surfaces (10s cm2) de films et d'hétérostructures de nitrure de bore hexagonal (h-BN) et de graphène (Gr), et à comprendre les mécanismes impliqués dans ce processus de dépôt par plasmas réactifs.
Le Gr, en raison de ses propriétés supérieures et novatrices, est un matériau de choix pour une large gamme d'applications technologiques prometteuses en nano et optoélectronique, en énergie, et en médecine, entre autres. N'ayant qu'une seule couche d’atomes, le Gr est vulnérable aux perturbations du substrat sur lequel il est déposé, qui peuvent altérer ou détruire de manière significative ses propriétés exceptionnelles. Pour contrer l'influence du substrat, il est possible de suspendre le Gr ou de l'encapsuler dans un matériau afin de préserver ses propriétés. Les couches de h-BN maintenant les propriétés électroniques exceptionnelles du Gr, l’encapsulation dans du h-BN peut potentiellement conduire à des technologies disruptives et devenir une plate-forme tant attendue pour la nanophotonique et la spintronique 2D et le traitement quantique de l'information.
En dépit du potentiel de ce matériau stratégique pour des futures applications à fort potentiel, les communautés scientifiques et industrielles n’ont pas encore de méthode de croissance efficace permettant le dépôt sur de grandes surfaces d'hétérostructures h-BN/Gr/h-BN de haute qualité. En particulier, un des problèmes critiques réside dans la capacité à dissocier suffisamment et efficacement un précurseur contenant du carbone ou de l'azote, afin qu'il puisse réagir et contribuer à la croissance de films de Gr et de h-BN, respectivement. Cela implique généralement l'utilisation de températures de croissance très élevées, entraînant une moindre efficacité énergétique et des coûts environnementaux et financiers plus élevés. Cependant, l'activation de la phase gazeuse avec une source plasma est un moyen d'améliorer la dissociation chimique des précurseurs tout en abaissant le budget thermique, car les électrons énergétiques générés par le plasma boostent la dissociation à température relativement basse.
Dans ce projet, nous proposons un nouveau procédé de dépôt utilisant de nouvelles matrices de micro-décharges à cathode creuse (MHCD), fonctionnant séquentiellement dans des mélanges gazeux de N2-Ar et CH4-Ar, pour la synthèse de h-BN (en utilisant également des précurseurs de bore) et de Gr, respectivement. Les micro-plasmas n'étant pas à l’équilibre thermodynamique, il est possible de réduire considérablement la température de dépôt, et leur haute densité d'électrons (1016 cm-3) peut conduire à un haut degré de dissociation des précurseurs.
PlasBoNG a trois principaux objectifs et défis scientifiques:
1) Concevoir et fabriquer par micro-usinage un nouveau réacteur de dépôt sur grandes surfaces de type MHCD, facilement adaptable aux technologies existantes;
2) Étudier les propriétés physico-chimiques du réacteur micro-plasma fonctionnant dans des gaz réactifs (N2,CH4), en fonction des paramètres du procédé, à travers des approches expérimentales et de modélisation complémentaires, visant à produire des densités très élevées d’azote atomique et de radicaux de carbone C2, éléments clés pour le dépôt et la croissance de films de h-BN et de Gr, respectivement;
3) Déposer sur de grandes surfaces (10s cm2) des films de haute qualité de h-BN et de Gr, séparément et dans des hétérostructures h-BN/Gr/h-BN, et élucider les mécanismes de dépôt à l’aide de plasmas réactifs.
En développant un procédé innovant à haute efficacité énergétique de dépôt de films de h-BN et de Gr, il est fort à parier que ce projet multidisciplinaire aura un impact scientifique élevé, qui devrait créer des opportunités économiques et sociales, grâce au fort potentiel du h-BN et du Gr dans les technologies du futur.