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Caractérisation et fonctionnalisation du germanène

par Elodie PICO - publié le

Directeur de thèse : Pr Thierry ANGOT
Coordonnées : thierry.angot univ-amu.fr, Aix Marseille Université, CNRS, PIIM UMR 7345, 13397 Marseille, France
Co-encadrant : Dr Eric SALOMON, eric.salomon univ-amu.fr

Description du sujet :
La découverte du graphène, matériau constitué d’une seule couche atomique de
carbone, peut être considérée comme un tournant dans la recherche et le développement de matériaux bidimensionnels. Cette percée a ouvert la possibilité d’isoler et d’explorer les propriétés fascinantes de plusieurs autres matériaux qui offriraient, à l’état de quelques couches atomiques, de nouvelles fonctionnalités ainsi que de nouvelles applications [1]. Parmi eux, une attention particulière a récemment été portée au silicène, un système analogue au graphène mais à base de silicium. Ce choix s’est avéré judicieux, car 2015 a pu voir l’apparition du premier transistor à base de silicene [2]. Dans la lignée de ces travaux, nous proposons d’explorer la voie du germanène, prédit pour être l’analogue du graphène à base de germanium. Cet élément appartenant à la même colonne de la classification périodique que le carbone et le silicium, le germanene peut partager des propriétés physiques semblables à celles du graphene et silicene. De plus, le Ge étant compatible avec les technologies à base de Si, le germanene peut-être pressentit comme un candidat potentiel pour la prochaine génération de matériaux semi-conducteurs. Enfin, le Ge possède un couplage spin-orbite plus large que le C ou le Si, ce qui permet d’envisager d’autres
champs d’applications pour le germanene, tels que les isolants topologique [3-5].

A l’instar du silicene, le germanène n’existe pas à l’état naturel et doit donc être synthétisé. Pour cela, il est possible de s’inspirer de techniques qui ont fait le succès du silicène, c’est à dire par évaporation et adsorption d’atomes de germanium sur des surfaces [6-9]. D’ailleurs, il a été très récemment démontré qu’il était possible de faire croitre du germanène par adsorption d’atomes de germanium sur des substrats d’Au ou d’Al(111) [8, 9]. Cependant, de même que pour le silicene, il existe plusieurs reconstructions de surface des atomes de germanium qui dépendent essentiellement du taux de recouvrement et de la température du substrat durant l’évaporation et des études détaillées de ces paramètres sur l’évolution de l’arrangement atomique des atomes de germanium en surface sont nécessaires, notamment afin d’éviter la formation d’alliages de surface.

Le sujet de thèse que nous proposons consiste donc dans un premier temps à
identifier très rigoureusement les paramètres de croissance du germanène, à savoir : la température du substrat, le taux d’évaporation et le taux de recouvrement. Pour ce faire nous étudierons par diffraction d’électrons lents (LEED), microscopie à effet tunnel (STM) et spectroscopie Auger (AES), l’influence de ces paramètres sur les propriétés structurales et de croissance des systèmes obtenus. Nous tacherons également de déterminer les propriétés électroniques du germanène par spectroscopies de photoélectrons.

Par la suite nous considérerons la possibilité de fonctionnaliser le germanène afin
d’en modifier les propriétés électroniques [10]. Pour cela nous nous utiliserons la
spectroscopie de pertes d’énergie d’électrons lents à haute résolution (HREELS) pour étudier l’adsorption et la réactivité du germanène vis à vis de différentes espèces chimiques telles que l’hydrogène, l’oxygène, des halogènes ou encore des composés organiques.

La thèse s’effectuera dans des conditions d’ultra-haut vide, sur un bâtit expérimental
comprenant :
- une chambre de préparation des échantillons équipée d’un système de chauffage, de
trois sources d’évaporation à flux calibré, d’une source d’hydrogène atomique ainsi que
d’un canon à ions ;
- deux chambres d’analyses équipées : d’un diffractomètre d’électrons lents (LEED), d’un microscope à effet tunnel (STM), d’un spectromètre Auger (AES) et d’un spectromètre de perte d’énergie d’électrons lents à haute résolution (HREELS).

Enfin, afin de compléter les mesures faites au laboratoire et notamment dans le but
de réaliser les expériences par spectroscopie de photoélectrons, l’étudiant(e) sera
également amené(e) à travailler sur différents synchrotrons.
Le ou la candidat(e) devra posséder de bonnes connaissances en physique de l’état
solide et en sciences des matériaux. De plus il ou elle devra être très motivé(e) par l’aspect expérimental de ce sujet de thèse.

Références bibliographiques :
[1] : M. Xu, et al., Chem. Rev., 113 (2013) 3766
[2] : L. Tao, et al. ; Nat. Nanotech. 10 (2015) 227
[3] : M. Ezawa, Phys. Rev. Lett., 109 (2012) 055502
[4] : P. Liang et al., Solid Sta. Comm. 226 (2016) 19
[5] : G. R. Bhimanapati et al., ACS Nano 9 (2016) 11509
[6] : P. Vogt, et al., Phys. Rev. Lett. 108 (2012) 155501
[7] : E. Salomon, et al., J. Phys. : Condens. Matter 26 (2014) 185003
[8] : M. E. Dávila, et al., New Journal of Physics 16 (2014) 095002
[9] : M. Derivaz, et al., Nano Lett. 15 (2015) 2510
[10] : M. Ye et al., Physica E 59 (2014) 60