J. HADID

Soutenance : 7 Avril 2021
Thèse de doctorat en Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes, Université de Lille
Projet associé : RENATECH

Résumé :

L’exploitation des propriétés électriques du graphène dans des dispositifs reste un défi. Du fait de sa nature bidimensionnelle, ses propriétés sont fortement influencées par l’environnement (substrat…). Récemment, de nombreuses études ont montré que le nitrure de bore hexagonal (h-BN) est un substrat approprié pour préserver les propriétés électriques du graphène. Malgré les progrès dans les techniques de synthèse, les recherches actuelles sont toujours confrontées à un défi majeur: la croissance de BN à grande échelle avec un contrôle de l’épaisseur. Nous explorons dans ce manuscrit la croissance de h-BN par épitaxie par jets moléculaires, technique devant permettre un bon contrôle d’épaisseur des couches dans des conditions d’ultravide. En raison de sa faible différence de paramètre de maille avec le h-BN, du nickel poly- et monocristallin ont été utilisés comme substrats. Utilisant différentes combinaisons de précurseurs, borazine et borazine associée à un plasma azote, nous avons optimisé les conditions de croissances. Nous confirmons grâce à des mesures de photoémission qu’un fort couplage électronique existe à l’interface entre h-BN et Ni. Nous mettons en évidence l’effet catalytique du Ni permettant une croissance de h-BN d’épaisseur constante sur de larges dimensions. D’autre part, en associant la borazine à l’azote actif, nous montrons qu’un excès d’élément V permet de s’affranchir de l’effet catalytique du substrat de Ni et d’obtenir du BN-2D de très bonne qualité cristalline. De plus, nous soulignons la dépendance de la qualité du BN-2D à l’orientation cristalline du substrat.

Abstract :

The exploitation of the electrical properties of graphene in devices remains a challenge. Due to its two-dimensional nature, its properties are strongly influenced by the environment (substrate…). Recently, many studies have shown that hexagonal boron nitride (h-BN) is a suitable substrate to preserve the electrical properties of graphene. Despite advances in synthesis techniques, current research still faces a major challenge: large-scale BN growth with thickness control. In this manuscript, we explore the growth of h-BN by molecular beam epitaxy, a technique that should allow a good control of the thickness of the layers under ultra-high vacuum conditions. Due to its small difference in lattice parameter with h-BN, poly- and single crystal nickel were used as substrates. Using different combinations of precursors, borazine and borazine associated with a nitrogen plasma, we have optimized the growth conditions. We confirm through photoemission measurements that a strong electronic coupling exists at the interface between h-BN and Ni. We highlight the catalytic effect of Ni allowing a growth of h-BN of constant thickness over large dimensions. On the other hand, by associating borazine with active nitrogen, we show that an excess of V element allows to get rid of the catalytic effect of the Ni substrate and to obtain BN-2D of very good crystal quality. Moreover, we highlight the dependence of the BN-2D quality on the crystalline orientation of the substrate.