Des atomes de phosphore déposés en chaine

Publié par Adrien le 27/09/2021 à 09:00
Source: CNRS INP
Les matériaux de basse dimensionnalité, agencés en surface ou en chaine, sont très étudiés pour leurs propriétés nouvelles et leur potentiel pour l'optoélectronique. C'est le cas des chaines de phosphorène que les chercheurs fabriquent ici pour la première fois de façon contrôlée et reproductible par épitaxie par jet moléculaire sur une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) cristalline d'argent (L’argent ou argent métal est un élément chimique de symbole Ag — du...).


Images STM simulée et mesurée des chaines de phosphorène. Figure obtenue par la méthode ARPES après dépôt des chaines de phosphorène montrant la structure de bande électronique (énergie de liaison des électrons en fonction de leur impulsion représentée par le vecteur d'onde). L'existence d'une bande interdite est soulignée par le trait rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...) qui suit le haut de la bande de valence (En physique du solide, la bande de valence est la bande d'énergie où se situent les électrons...), située à environ -1.5 eV, le bas de la bande de conduction (non détecté par cette méthode) se situant à +0.3 eV.

A l'instar du graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.) pour le carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...), le phosphorène correspond à une ou plusieurs couches cristallines empilées d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) de phosphore (Le phosphore est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole P et...) qui s'obtiennent notamment par exfoliation et qui possèdent des caractéristiques intéressantes pour les nanodispositifs électroniques. Sous forme de phosphore dit noir, c'est un semiconducteur, dont les propriétés sont modulables avec le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de couches. Obtenir ces matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) bidimensionnels en rubans ou en chaines révèle encore d'autres propriétés. Plusieurs méthodes dites top-down, c'est-à-dire partant de phosphore cristallin, ont tenté de produire des nanorubans de phosphore, notamment par des méthodes électrochimiques ou lithographiques, mais n'ont pas réussi à contrôler la fabrication de rubans étroits.

Dans cette étude, une collaboration de physiciens de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) des sciences moléculaires d'Orsay (ISMO, CNRS/Univ. Paris-Saclay), du Service de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) de l'état condensé (SPEC, CEA/CNRS) et du synchrotron (Le terme synchrotron désigne un grand instrument électromagnétique destiné...) SOLEIL (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...), en collaboration avec une équipe de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) Centrale de Floride, a réussi pour la première fois à contrôler la synthèse de chaines de phosphorène déposées sur un substrat d'argent grâce à une méthode dite bottom-up, c'est-à-dire partant des atomes de phosphore, appelé épitaxie par jet moléculaire. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature Communication.

Pour former ces chaines, les chercheurs ont évaporé sous ultravide des atomes de phosphore sur une face (111) d'un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que...) d'argent. Ils ont identifié les structures atomique et électronique des atomes déposés sur la surface en utilisant une combinaison (Une combinaison peut être :) de plusieurs techniques, la microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique...) et spectroscopie à effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir...) (STM-STS), la diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est...) d'électrons lents (LEED), la spectroscopie de photoélectrons (PES) et la spectroscopie de photoémission résolue en angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts...) (ARPES).

Ils ont ainsi caractérisé les chaînes obtenues avec pour la structure atomique un ruban de deux atomes de largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit...) positionnés en forme de "chaise" correspondant à la structure du phosphorène noir, et pour la structure électronique, un caractère semiconducteur avec une bande interdite intrinsèque de 1,8 eV. Des calculs dans le cadre de la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) de la fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions....) de la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) (DFT) ont validé les résultats expérimentaux, montrant que le caractère semiconducteur des chaines venait de la passivation des atomes de phosphore par la surface d'argent. Par ailleurs, l'image STM simulée à l'aide de cette théorie est en très bon accord avec l'image expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes...) (figure).

Référence:
Flat epitaxial quasi-1D phosphorene chains.
W. Zhang, H. Enriquez, Y. Tong, A. J. Mayne, A. Bendounan, A. Smogunov, Y. J. Dappe, A. Kara, G. Dujardin, and H. Oughaddou,
Nature Communications, 12, 5160 (2021), paru le 27 Aout 2021.
DOI: 10.1038/s41467-021-25262-7
Texte disponible sur les bases d'archives ouvertes HAL.
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