Manipulation de la structure électronique du phosphore noir par dopage électronique

Publié par Redbran le 04/05/2020 à 14:00
Source: CEA IRAMIS
Le phosphore noir (Black phosphorus: BP) est constitué d'un empilement de couches monoatomiques de phosphore, liées entre elles uniquement par des forces de Van der Waals. Ce matériau 2d suscite actuellement un grand intérêt en raison de sa bande interdite largement accordable en fonction de l'épaisseur du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...), de la très grande mobilité de ses porteurs, pour son application dans les transistors à effet de champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) (FET), et l'émergence possible d'états topologiquement protégés. Il a été démontré qu'une action électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.) ou l'évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente de l'ébullition qui est une transition rapide. C'est un changement d'état appelé...) de métaux alcalins, donneurs d'électrons, peuvent être utilisés avec succès pour doper le BP et passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) d'une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) semi-conductrice à une phase semi-métallique avec des canaux de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par assimilation, des actions de...) en cône de Dirac (relation de dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les différentes...) linéaire).

Les expérimentateurs et théoriciens du Laboratoire de Solides Irradiés (LSI) ont ainsi étudié les états électroniques excités du phosphore (Le phosphore est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole P et de numéro atomique 15.) noir après le dépôt par évaporation d'une dose croissante d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement...) alcalins. Le dispositif expérimental FemtoARPES (photoémission résolue en angle) du LSI a été utilisé pour suivre la fermeture (Le terme fermeture renvoie à :) de la bande interdite avec une précision inégalée. Cette ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation technique...) de la structure de bande permet de concevoir des dispositifs dotés de fonctionnalités électroniques et optoélectroniques améliorées et optimisées.


A) Courbe de dispersion mesurées par ARPES (Photoémission résolue en angle) selon les 2 directions cristallographiques principales, en fonction du taux de dépôt d'alcalin en surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa...). Les lignes pointillées indiquent la position du potentiel chimique.

B) Largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En...) de la bande interdite (gap) en surface du BP en fonction du taux de dépôt d'atomes de Cs (cercles rouge) et d'atomes de K (cercles noir). L'unité de dopage de surface (axe des abscisses) est donnée (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement,...) par la différence entre le potentiel chimique et le minimum d''énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de la bande de conduction ECB. La ligne continue est un guide pour l'œil. Les valeurs mesurées par ARPES sont comparables aux mesures (losange bleu) par STM (sepctro-microscopie à effet tunnel) en fonction de la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est le fait d'appliquer une tension pour créer du courant dans le...) (axe du haut) données par la Ref. [3].

C) Évolution de la vitesse (On distingue :) de Fermi (en haut) et de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force...) effective (en bas) au niveau de Fermi, en fonction du taux de dépôt d'alcalin.

Les couches ultraminces d'éléments simples, de la monocouche à quelques couches, comme le graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.), silicène, ou de dichalcogénure de métaux de transition de type MX2, constituent des systèmes bidimensionnels aux propriétés électroniques bien spécifiques, que l'on cherche à exploiter. L'idée est de pouvoir ajuster à façon la structure de bande pour permettre la réalisation de dispositifs électroniques originaux rapides ou pour l'optoélectronique.

Un autre de ces systèmes est le phosphore noir (Black phosphorus: BP) composé, comme un film ultra (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport individuel de type Personal Rapid Transit (PRT), autrement dit un moyen de transport automatique collectif léger permettant de se...) mince de graphite, de quelques couches monoatomiques de phosphore uniquement liées par les forces de Van der Waals. Des études théoriques récentes suggèrent que ses états électroniques et la largeur du gap peuvent être contrôlés de manière réversible par des techniques d'injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) de charges. Ces résultats sont une indication (Une indication (du latin indicare : indiquer) est un conseil ou une recommandation, écrit ou oral.) du potentiel du BP comme élément de base pour des dispositifs fonctionnels basés sur des mécanismes de transport électroniques originaux. Une approche simple permettant de suivre l'évolution des courbes de dispersions électroniques sous l'effet de l'injection de charges est de combiner le dépôt d'atomes alcalins, donneurs d'électrons, et l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande...) de la structure de bande par ARPES (spectroscopie de photoémission résolue angulairement).

La présente étude porte sur le suivi par Femto-ARPES, de l'évolution de la structure de bande du BP, au cours du dépôt d'une couche de césium (Le césium est un élément chimique de symbole Cs et de numéro atomique 55.) ou de potassium (Le potassium est un élément chimique, de symbole K (latin : kalium, de l’arabe : القَلْيَه al-qalyah) et de numéro atomique 19.). Une telle couche alcaline induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en...) la présence d'un fort dipôle électrique (Le dipôle électrique est un conducteur électrique possédant deux bornes.) en surface à même de modifier la structure électronique du BP. L'ARPES avec résolution temporelle (Femto-ARPES) est une technique puissante qui utilise une impulsion laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain...) de pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) (1,55 eV), suivie d'une impulsion sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace...) (6,3 eV), permettant de peupler puis sonder par photoémission les états de la bande de conduction [1]. La technique permet d'observer les courbes de dispersion des états électroniques et d'obtenir une mesure du gap. On peut noter que l'énergie relativement élevée du faisceau sonde donne aux électrons excités une longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou...) d'échappement suffisamment grande pour observer de façon fiable l'évolution de la bande de valence (En physique du solide, la bande de valence est la bande d'énergie où se situent les électrons contribuant à la cohésion locale du cristal (entre...) enterrée.

Il est ainsi observé qu'au cours du dépôt d'alcalins (i.e. en augmentant le dopage électronique) le gap se rétrécit de façon monotone depuis la valeur initiale de 0,32 eV pour l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) vierge, jusqu'à s'annuler pour les dépôts les plus importants de césium [2]. Un excellent accord est obtenu avec des mesures par spectro-microscopie à effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel, franchissement impossible selon la mécanique classique si...) (STM) sur un échantillon de BP [3] (voir figure B). Ces données sont aussi cohérentes avec les résultats de calculs par la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance...) de la fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions. Initialement, le terme désignait les fonctions qui...) de la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le...) (DFT) qui montrent une décroissance régulière du gap sou l'effet d'un dépôt de potassium. Enfin, la figure C montre que la "vitesse de Fermi" des électrons est très élevée. Dans le régime de dopage élevé, les trous se déplaçant dans la direction hautement dispersive acquièrent même une vitesse de bande supérieure à celle du graphène sur le carbure de silicium (Le carbure de silicium (SiC), aussi connu sous le nom de carborundum ou de moissanite, est une céramique composée de silicium et de carbone.).

Cette étude montre ainsi que l'on peut aisément façonner la structure électronique du phosphore noir par dopage électronique. Une telle accordabilité de la structure électronique est également attendue dans le cas des dispositifs à grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un élément du tube de télévision. Une grille d'arrêt est un élément du tube de télévision. Une grille de contrôle est un...) et suggère, comme ce qui a été observé par dopage par dépôt d'alcalins, que la mobilité des électrons excités dans la couche d'accumulation du phosphore noir peut être considérablement augmentée en présence d'une forte densité de porteurs.

Références:

[1] "Band Gap Renormalization, Carrier Multiplication (La multiplication est l'une des quatre opérations de l'arithmétique élémentaire avec l'addition, la soustraction et la division .), and Stark Broadening in Photoexcited Black Phosphorus” Z. Chen, J. Dong, E. Papalazarou, M. Marsi, C. Giorgetti, Z. Zhang, B. Tian, J.-P. Rueff, A. Taleb-Ibrahimi and L. Perfetti, Nano Lett. 19, 488 (2019).

[2] "Spectroscopy of buried states in black phosphorous with surface doping"
Z. Chen, J. Dong, C. Giorgetti, E. Papalazarou, M. Marsi, Z. Zhang, B. Tian, Q. Ma, Y. Cheng, J.-P. Rueff, A. Taleb-Ibrahimi, and L. Perfetti, Under review in "2D materials".

[3] " Gate-Tunable Giant Stark Effect in Few-Layer Black Phosphorus"
Y. Liu (Liu (chinois : 柳宿, pinyin : liǔ xiù) est une loge lunaire de l'astronomie chinoise. Son étoile référente (c'est-à-dire celle qui délimite la frontière occidentale...), Z. Qiu, A. Carvalho, Y. Bao, H. Xu, S. J. R. Tan, W. Liu, A. H. Castro Neto, K. P. Loh, J. Lu, Nano Lett. 17, 1970 (2017).

Contact CEA-IRAMIS:
Luca Perfetti (Laboratoire de Solides Irradiés/ groupe Nouveaux Etats Electroniques)

Collaboration:
Z. Chen, J. Dong, C. Giorgetti & L. Perfetti, Laboratoire des Solides Irradiés, CEA-IRAMIS, École Polytechnique, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Polytechnique de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle...), F-91128 Palaiseau, France.
A. Taleb & J.-P. Rueff: Synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la...), L'Orme (Les ormes sont des arbres du genre Ulmus, famille des Ulmaceae ou Ulmacées atteignant une trentaine de mètres (et rarement 40 m), originaire de l'Europe occidentale et de l'Amérique du nord, dès le début de...) des Merisiers, Saint-Aubin BP 48 91192 Gif-sur-Yvette Cedex, France.
E. Papalazarou & M. Marsi, Laboratoire de Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) des Solides, CNRS, Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment où les...) Paris-Saclay, Université Paris-Sud, 91405 Orsay, France.
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