Présentation de l'activité matériaux 2D

Le prix Nobel de Physique attribué à Geim et Novoselov en 2010 est venu récompenser leurs travaux sur le graphène. Si aujourd’hui, la révolution industrielle annoncée pour le graphène se fait attendre, force est de constater que ce premier des matériaux 2D est à l’origine d’une révolution scientifique au cours de laquelle on découvre des propriétés inédites sur des matériaux dont on pensait tout connaitre. La liste des matériaux 2D s’allonge d’année en année : graphène, nitrure de bore, dichalcogénures de métaux de transition, phosphore noir, auxquels s’ajoutent encore de nouvelles formes cristallines de matériaux connus : silicène, AlN bidimensionnel, etc… La principale faiblesse de ces matériaux 2D reste cependant leur fabrication, faisant le plus souvent appel à l’exfoliation, une méthode artisanale permettant certes de combiner facilement divers matériaux 2D d’excellente qualité, mais seulement sur des surfaces de moins d’1 mm2. C’est justement dans le domaine de la fabrication de matériaux 2D sur de larges surfaces que s’est focalisé le CRHEA.

Images d'échantillons de graphène épitaxiés sur SiC
Figure 1. Échantillons de graphène épitaxiés sur SiC avec différents mélanges hydrogène/argon au CRHEA. À gauche, avec une faible proportion d’hydrogène, le film de graphène est monocristallin. Avec une proportion croissante d’hydrogène dans l’atmosphère (au centre puis à droite), nous voyons apparaitre des plis qui indiquent que le graphène prends des orientations de plus en plus variées dans le plan de croissance, ce qui trahit la présence d’hydrogène à l’interface graphène/SiC. En fonction des conditions de croissance, il peut également y avoir de l’hydrogène à l’interface graphène/SiC des échantillons monocristallins, tels que celui de droite. Le contrôle de cette hydrogénation permet d’obtenir un graphène avec un dopage de type n ou de type p.

Partant de son expertise dans le domaine du SiC et des réacteurs de croissance à haute température, le CRHEA a développé en 2010 une nouvelle méthode de croissance de graphène par CVD sur SiC. Cette méthode diffère de la sublimation de SiC d’une part par l’utilisation d’une source externe de carbone (le propane), et d’autre part par la présence d’hydrogène qui modifie fortement la croissance. Cette méthode permet de contrôler les propriétés du graphène (dopage, nombre de couches), mais également d’épitaxier le graphène sur d’autres matériaux que le SiC, notamment l’AlN. Sur SiC, il est possible d’obtenir un graphène de haute qualité, utilisable pour la métrologie de l’ohm reposant sur l’effet Hall quantique. Une collaboration avec le LNE (projet Graphmet) a en particulier permis d'établir de nouveaux records dans ce domaine.

Grpahique présentant l'ffet Hall 
		  quantique dans un étalon de graphène épitaxié au CRHEA
Figure 2. Effet Hall quantique dans un étalon de graphène épitaxié au CRHEA (technologie : C2N, mesures : LNE). La résistance de Hall (en rouge) atteint un palier à la valeur de 2 dès 2.5 T, tandis que la résistance longitudinale (en vert) chute à zéro. La courbe bleue présente, à titre de comparaison, la résistance de Hall dans un étalon à base de GaAs. De même, les barres horizontales rouge et bleue présentent les gammes de champ magnétique pour lesquels une précision de 10-9 est obtenue dans les étalons de graphène et de GaAs.

Les travaux sur le graphène se sont récemment élargis vers l’intégration du graphène et des nitrures, s’intéressant à la fois à la croissance de graphène sur AlN et à la croissance de nitrures sur graphène, notamment dans le cadre du projet GraNitE (FLAG-ERA) et de collaborations avec le CEA. Le CRHEA développe par ailleurs un nouveau réacteur dédié à la croissance de nitrures à haute température, et plus particulièrement du Nitrure de Bore (BN) dans sa phase hexagonale, permettant d’envisager la croissance directe d’hétérostructures graphène/BN.

Collaborations

L2C (Montpellier), LNE (Trappes), CEMES (Toulouse), C2N (Palaiseau), CEA (Grenoble), IM2NP, CINaM (Marseille), CNR (Italie), Université de Sherbrooke (Canada).

Publications choisies:

A. Michon et al., "Direct growth of few-layer graphene on 6H-SiC and 3C-SiC/Si via propane chemical vapor deposition",
Applied Physics Letters 97, 171909 (2010).

R. Ribeiro-Palau et al., "Quantum Hall resistance standard in graphene devices under relaxed experimental conditions",
Nature Nanotechnology 10, 965 (2015).

R. Dagher et al., "A comparative study of graphene growth on SiC by hydrogen-CVD or Si sublimation through thermodynamic simulations",
Cryst. Eng. Comm. 20, 3702 (2018).

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