Une cartographie des états électroniques du graphène

Publié par Adrien le 10/05/2022 à 09:00
Source: CNRS INSIS
Les états électroniques des cristaux contrôlent la majorité de leurs propriétés, mais, selon les échelles, ils restent souvent difficiles à observer. Dans le cadre d'une collaboration internationale, des scientifiques du laboratoire Matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la...) et science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire...) ont développé une méthode permettant de cartographier les états électroniques du graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.). Publiés dans Physical Review Letters, ces travaux reposent sur des modèles numériques et un microscope électronique (Un microscope électronique est un type de microscope qui utilise un faisceau de particules...) en transmission.


À gauche, une cartographie des états électroniques à l'échelle du nanomètre. Les ronds verts correspondent à la position des plans atomiques par rapport au signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) du microscope électronique en transmission (HAADF).
À droite, le profil des états électroniques et du signal HAADF.
© Bugnet et al.

Les matériaux cristallins présentent une structure régulière maintenue par des liaisons chimiques. Ces liaisons peuvent se retrouver dans différents états électroniques qui gouvernent la plupart des propriétés physiques et chimiques des matériaux cristallins. Les états électroniques au niveau des défauts, des interfaces et des surfaces influencent quant à eux les propriétés macroscopiques du cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que...), rendant essentielle la connaissance de ces états électroniques.

Des chercheurs et chercheuses du laboratoire Matériaux ingénierie et science (MATEIS, CNRS/INSA Lyon/Université Claude Bernard (Claude Bernard, né le 12 juillet 1813 à Saint-Julien (Rhône) et mort le...) Lyon 1), du laboratoire SuperSTEM (Royaume-Uni), des universités de Leeds et d'York (Royaume-Uni), de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) de Vienne (Autriche) et de l'université de Virginie-Occidentale (États-Unis) sont parvenus à cartographier les états électroniques de couches de graphènes par spectroscopie de perte d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) des électrons, une technique fonctionnant dans un microscope électronique en transmission. Jusqu'ici, ces données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) étaient noyées dans du bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son....) et des artefacts liés à la technique de mesure.

Le graphène a été choisi comme modèle car ses propriétés et ses caractéristiques spectrales sont bien connues. Les scientifiques se sont ici focalisés sur un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...) constitué de plusieurs feuillets de graphène empilés et faiblement liées entre eux. Ils ont développé une approche qui repose sur des calculs numériques et des données expérimentales, prises dans un microscope électronique en transmission, à partir de laquelle des cartes d'états électroniques peuvent être interprétées en termes d'orbitales atomiques.

L'équipe a ainsi pu distinguer et enlever les contributions de la propagation du faisceau d'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...), dues entre autres à l'épaisseur de l'échantillon, néfastes à l'interprétation du contraste. Elle a ainsi obtenu une cartographie précise des états électroniques du graphène. Ces travaux présentent un important intérêt méthodologique pour la compréhension du rôle des liaisons chimiques aux interfaces et aux défauts dans les solides, et ainsi favoriser la création de nouveaux matériaux destinés par exemple à la microélectronique du futur, qui mise beaucoup sur les propriétés du graphène.

Références:
Imaging the spatial distribution of electronic states in graphene using electron energy-loss spectroscopy: prospect of orbital mapping.
M. Bugnet, M. Ederer, V. K. Lazarov, L. Li, Q. M. Ramasse, S. Löffler, and D. M. Kepaptsoglou.
Physical Review Letters, 128, 116401 (2022).
doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.116401
Article disponible sur la base d'archives ouvertes HAL
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