Graphène sur SiC

 Le graphène, un plan d’atomes de carbone arrangés selon une structure en nid d’abeille, est un système bidimensionnel non conventionnel, dont les propriétés électroniques fascinent chaque jour un peu plus la communauté scientifique. Sa croissance sur un substrat de carbure de silicium, SiC, soulève de grands espoirs quant-à son utilisation future en nano-électronique. Cependant, la question de la préservation des propriétés exceptionnelles du graphène se pose dans un système où sont présents à la fois plusieurs plans de carbone et un substrat. Le couplage de mesures par microscopie à effet tunnel (STM) et de calculs ab initio de structure électronique permet de répondre à cette problématique.

La structure cristalline du graphène recèle une symétrie qui est la clef de propriétés électroniques tout à fait exceptionelles. Cette symétrie est liée au fait que deux atomes de carbone strictement équivalents occupent une maille élémentaire, offrant un « nouveau » degré de liberté par rapport aux autres systèmes 2D. Pour peu que le plan de graphène soit en interaction avec un susbtrat ou un autre plan de graphène, cette symétrie peut disparaître.
 Depuis 2006, l’Institut Néel a montré son savoir faire dans l’élaboration de graphène sur substrat SiC, en s’inspirant d’une méthode proposée par l’équipe de W de Heer et C.Berger à Atlanta.
 En portant un monocristal hexagonal de SiC à environ 1200°C en environnement ultra-vide, nous pouvons contrôler de façon très fine le nombre de plans de graphène formés. Pour un plan unique (figure 1a), l’image STM révèle un contraste atomique équivalent pour tous les sites de carbone, conforme à la symétrie attendue pour un plan de graphène peu couplé à son environnement. L’image montre par ailleurs une modulation à grande longueur d’onde induite par la morphologie de l’interface.

 Les calculs ab initio ont permis d’aborder la question de l’interaction avec le substrat. Ils ont démontré l’existence d’un plan de carbone tampon à l’interface (indiqué par la flèche sur la Figure 1b), qui découple les plans de graphène du substrat. Ils ont de plus mis en évidence le dopage de ces plans par transfert de charge depuis le substrat. Ce dopage est plus important pour les plans proches de l’interface. Les calculs expliquent ainsi pourquoi bien que plusieurs plans de graphène soient présents dans le système, l’un d’eux contribue majoritairement au transport comme le suggérent les résultats de magnéto-transport.

Figure 1- a. Image STM 4 × 4 nm2 d’un plan unique de graphène sur substrat de carbure de silicium. Les points foncés sur l’image correspondent aux centres des hexagones formant la structure en nid d’abeille du graphène, ces points étant séparés du paramètre de maille du graphène. b. Calcul d’un contour d’isodensité de charge pour le même système : le plan de carbone tampon (indiqué par la flèche) est fortement couplé au substrat (formation de liaisons covalentes C-Si), le plan de graphène de surface est lui quasiment découplé

Contact : Laurence Magaud
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Pierre Mallet
pierre.mallet@grenoble.cnrs.fr
Tél : 0476887452

Pour en savoir plus :
“Electron states of mono- and bilayer graphene on SiC probed by STM” :
P. Mallet, F. Varchon, C. Naud, L. Magaud, C. Berger and J.Y. Veuillen, Phys. Rev. B 76, 01403(R) (2007).
“Electronic Structure of Epitaxial Graphene Layers on SiC : Effect of the Substrate” :, F. Varchon, R. Feng, J. Hass, X. Li, B. Ngoc Nguyen, C. Naud, P. Mallet, J.Y. Veuillen, C. Berger, E.H. Conrad and L. Magaud, Phys. Rev. Lett. 99, 126805 (2007
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