Fig. 1: croissance de hBN sous ultra-vide, formation de domaines triangulaires de plusieurs plans alignés
-
hBN: le meilleur allié du graphène
Le graphène est un matériau reconnu pour ses propriétés électroniques exceptionnelles.
Cependant, si l’on veut exploiter ces propriétés dans des composants réels, il est indispensable de réduire autant que possible toute interaction électronique avec l’environnement. Le nitrure de bore hexagonal (hBN), un autre matériau 2D caractérisé par une bande interdite très large (~6 eV), est très prometteur dans ce but. Il peut être utilisé aussi bien pour isoler le graphène du substrat que comme matériau diélectrique de grille. L’étude de la croissance de hBN par épitaxie par jets moléculaires a débuté à l’IEMN en 2017 (voir figure 1), dans une chambre de croissance sous ultra-vide permettant également la croissance de graphène.
Fig. 2: projet 2DHetero, a) hétérostructure complète obtenue par croissance,
b) hétérostructure nécessitant une étape de transfert et c) composant test
Les premiers résultats ont notamment conduit au projet 2DHetero, qui vient d’être sélectionné dans le cadre de l’appel Flag-Era 2019. Le but de ce projet est d’explorer la croissance directe d’hétérostructures complètes hBN/graphène/hBN par des techniques couplées d’épitaxie par jets moléculaires et de dépôt chimique en phase vapeur (voir schéma 2a), en évitant autant que possible toute étape de transfert/report d’une partie de l’hétérostructure (schéma 2b). L’IHP Frankfurt/Oder (Allemagne) et l’Université de Namur sont les autres membres du consortium 2DHetero.
-
Et avec une bande interdite…
Depuis plus de quinze ans, les propriétés exceptionnelles du graphène ont stimulé la recherche matériaux et donné lieu à de nombreuses propositions d’applications. Néanmoins, l’absence de bande interdite demeure un obstacle à l’utilisation du graphène dans de nombreux dispositifs micro et optoélectroniques et donc au développement d’une électronique 2D. D’autres matériaux 2D et parmi eux les dichalcogénures de métaux de transition (DMTs), avec une bande interdite de 1 à 2 eV, peuvent alors prendre le relais. Ces matériaux offrent des propriétés que l’on ne rencontre pas dans les semi-conducteurs usuels : absence de liaisons pendantes de surface, nature de la bande interdite variant avec l’épaisseur, forte absorption optique, transport électronique dépendant de la vallée (valleytronics),…C’est dans cette perspective que pour développer son activité sur les matériaux 2D, l’IEMN s’est doté début 2020 d’un bâti d’épitaxie par jets moléculaires (EJM) d’hétérostructures de DMTs. Ce système Vinci Technologies est connecté sous ultra-vide à une chambre d’analyse de surfaces et à un bâti d’EJM de semi-conducteurs III-V. Il est équipé d’une cellule craqueur à vanne comme source de Sélénium et d’un canon à électrons à 6 creusets et de cellules à effusion de Knudsen pour l’évaporation des métaux. Il sera dédié à l’épitaxie d’hétérostrucutres de DMTs mais également à la croissance d’hétérostructures hybrides III-V/2Ds.
Fig. 3: Exemple d’hétérostructure de DMTs
pour la réalisation de diodes Esaki
