Soutenance de Davide SCIACCA
Lundi 25 janvier 2021 à 10h30.
La soutenance sera retransmise en visioconférence. Pour participer à la réunion avec Zoom, cliquer ici.
Jury :
Henri HAPPY, Professeur des Universités, IEMN, Président du jury
Laurence MASSON, Professeure des Universités, CINAM, Rapporteuse
Andrew MAYNE, Directeur de Recherche, ICMO, Rapporteur
Geoffroy PREVOST, Directeur de Recherche, INSP, Examinateur
Bruno GRANDIDIER, Directeur de Recherche, IEMN, Directeur de thèse
Pascale DIENER, Professeure Associée, IEMN, Co-encadrante de thèse
Résumé :
Dans cette thèse, nous avons étudié les propriétés de deux matériaux 2D en germanium: le germanène, l’équivalent du graphène, et un empilement multicouche de germanène terminé par des groupes méthyle. En raison d’une structure atomique flambée et d’un fort couplage spin orbite, ces matériaux se distinguent du graphène et du graphite. Bien que très étudiées en théorie, leurs propriétés physiques restent peu caractérisées.
Dans le cas du germanène, l’étude a été réalisée par dépôt de germanium sur une surface d’aluminium (111) sous ultra-vide. Pour des températures relativement basses, autour de 100 ° C, la croissance du germanène est épitaxiale avec deux structures: la reconstruction (3×3) et la reconstruction (√7x√7). La microscopie à effet tunnel a été utilisée pour approfondir nos connaissances sur ces phases. Tout d’abord, nous nous sommes intéressés aux propriétés électroniques. Des mesures spectroscopiques ont été effectuées à des températures de 77K et 5K. Malheureusement, ils n’ont pas révélé la vraie nature du germanène en raison du fort couplage électronique de ce matériau avec la surface en aluminium. À travers une diversité inattendue de spectres, cette analyse a montré la faible adhérence du germanène à la surface de l’Al (111), qui a contaminé la pointe du microscope.
Outre les mesures spectroscopiques, la croissance des feuilles de petite taille a permis l’étude de leur bord. Des observations par microscopie à effet tunnel ont montré que ces feuilles poussent dans le plan des terrasses atomiques en aluminium. Leurs bords présentent généralement un contraste plus net que le reste de la feuille. Pour mieux comprendre ce changement de contraste, des calculs ab-initio basés sur la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) ont été réalisés. Ils ont montré le rôle clé des atomes d’aluminium dans la formation des arêtes, avec des structures en zigzag ou en fauteuil.
Contrairement au germanène à une seule feuille qui nécessite une croissance épitaxiale, les cristaux de germanane peuvent être synthétisés chimiquement, ce qui assure le découplage électronique du matériau d’un substrat hôte. Nous avons réalisé une analyse multi-physique de cristaux passivés par des groupes méthyle. Deux types de comportement ont été découverts. Les plus gros cristaux, d’environ 10 micromètres de dimension latérale, sont polycristallins, contiennent des molécules d’eau intercalées entre les couches ou ont des surfaces oxydées et se chargent sous irradiation électronique en raison de la présence d’isopropanol à l’interface avec le substrat hôte. En revanche, les plus petits cristaux, identifiés comme les plus purs, étaient les plus susceptibles d’être caractérisés par des mesures de transport à ultra-vide à quatre sondes. Ces mesures ont révélé un transport de trous, qui se produit dans le volume de la microstructure. Par rapport au germanane à terminaison hydrogène, les cristaux présentent une conductivité plus élevée et une inertie chimique plus forte, ce qui en fait un élément prometteur pour leur intégration dans les dispositifs.
Abstract:
In this PhD thesis, we have studied the properties of two 2D materials made of germanium: germanene, the equivalent of graphene, and a multilayer stack of germanene terminated with methyl groups. Due to a buckled atomic structure and a strong spin orbit coupling, these materials stand out from graphene and graphite. Although much studied in theory, their physical properties remain little characterized.
In the case of germanene, the study was carried out by depositing germanium on an aluminum (111) surface in ultra-high vacuum. For relatively low temperatures, around 100° C, the growth of germanene is epitaxial with two structures: the (3×3) reconstruction and the (√7x√7) reconstruction. Scanning tunneling microscopy has been used to deepen our knowledge of these phases. First of all, we were interested in the electronic properties. Spectroscopic measurements were carried out at temperatures of 77K and 5K. Unfortunately, they did not reveal the true nature of germanene due to the strong electronic coupling of this material with the aluminum surface. Throughout an unexpected diversity of spectra, this analysis showed the weak adhesion of germanene to the Al(111) surface, which was found to contaminate the tip of the microscope.
In addition to spectroscopic measurements, the growth of small-sized sheets enabled the study of their edge. Observations by tunneling microscopy showed that these sheets grow in the plane of the aluminum atomic terraces. Their edges generally present a clearer contrast than the rest of the sheet. To better understand this change of contrast, ab-initio calculations based on density functional theory (DFT) have been performed. They showed the key role of aluminum atoms in the formation of edges, with both zigzag or armchair structures.
Unlike single-sheet germanene which requires an epitaxial growth, germanane crystals can be chemically synthesized, which ensures the electronic decoupling of the material from a host substrate. We carried out a multi-physics analysis of crystals passivated by methyl groups. Two types of behaviour were discovered. The largest crystals, around 10 micrometres in lateral dimension, are polycrystalline, contain water molecules intercalated between the layers or have oxidized surfaces and become charged under electron irradiation due to the presence of isopropanol at the interface with the host substrate. In contrast, the smallest crystals, identified as the purest, were most prone to be characterized by ultra-high vacuum four-probe transport measurements. These measurements revealed a transport of holes, which occurs in the volume of the microstructure. Compared with hydrogen-terminated germanane, the crystals show a higher conductivity and stronger chemical inertness, making it promising for their integration into devices.
Publications
1. Sciacca, D., Peric, N., Berthe, M., Biadala, L., Pirri, C., Derivaz, M., … & Grandidier, B. (2019). Account of the diversity of tunneling spectra at the germanene/Al (1 1 1) interface. Journal of Physics: Condensed Matter, 32(5), 055002.
2. Franchina Vergel, N. A., Post, L. C., Sciacca, D., Berthe, M., Vaurette, F., Lambert, Y., … & Grandidier, B. (2020). Engineering a Robust Flat Band in III–V Semiconductor Heterostructures. Nano Letters.
