Visualiser une jonction p-n dans le graphène dopé

Publié par Redbran le 27/09/2022 à 13:00
Source: CNRS INP
L'absence de gap dans la structure électronique du graphène constitue un frein important aux applications pour l'électronique du futur. Des physiciens et des physiciennes ont montré qu'il est cependant possible de réaliser de l'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la...) de bandes, en contrôlant la distribution spatiale de dopants dans le graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.). Ils ont ainsi pu visualiser pour la première fois le profil d'une jonction électronique à l'échelle atomique, qui se révèle être ultrafine.


À gauche, schéma représentant un ilot de molécules de C60 utilisé comme masque pour protéger le graphène lors du dopage par exposition à de l'azote activé par une source plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées...).
À droite, en haut, image STM en 3D montrant une jonction dans le graphène avec un faible dopage à gauche et un fort dopage à droite. Chaque bosse sur l'image correspond à un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) d'azote substitué à du carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...). Les couleurs correspondant à la conductance locale indiquent l'évolution du dopage le long de la jonction (La Jonction est un quartier de la ville de Genève (Suisse), son nom familier est "la Jonquille") (faible en jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même...), fort en bleu).
À droite en bas, le profil expérimental du dopage (énergie du point (Graphie) de Dirac du graphène) le long de la jonction permet de mesurer la largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit...) de la zone de transition qui est de 6.6 nanomètres dans cet exemple.
Crédit: Jérôme Lagoute, MPQ (CNRS/Université Paris-Cité)

Le graphène, un feuillet d'atomes de carbone, possède des propriétés physiques uniques et prometteuses pour l'électronique du futur, notamment grâce à la très grande mobilité de ses électrons. La brique élémentaire des composants électroniques est la jonction p-n, qui consiste à mettre en contact deux parties d'un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) avec des niveaux de dopages opposés, une partie riche en électrons et l'autre riche en trous. Un paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte...) important est la largeur de la zone de transition à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface...).

Dans le graphène, lorsque cette largeur est ultrafine (moins de 20 nanomètres), les trajectoires électroniques sont collimatées par la jonction, comme la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) au travers d'une lentille. Actuellement pour le graphène, ce type de jonctions est obtenu dans des géométries de type transistors à effet de champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:), pour lesquelles le dopage se fait grâce à un champ électrique (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules...). La largeur de la zone de transition dépend alors de la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace...) du dispositif et ne permet pas d'atteindre le régime ultrafin. Une autre voie possible est l'insertion d'atomes de dopants dans le réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) atomique du graphène, dopage chimique analogue à celui des jonctions p-n des semi-conducteurs classiques.

Des physiciens et physiciennes du laboratoire Matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) et phénomènes quantiques (MPQ, CNRS/Université Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région...) Cité), du Service de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) de l'état condensé (SPEC, CEA / CNRS), en collaboration avec l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) Technique du Danemark (DTU) ont mis au point une méthode permettant de réaliser des jonctions dans du graphène dopé par de l'azote, puis de visualiser et de mesurer pour la première fois leurs propriétés électroniques à l'échelle atomique.

Dans cette expérience, le graphène est exposé à de l'azote atomique activé par une source plasma en utilisant comme masques des ilots constitués d'une seule couche de molécules de C60. Le choix de ces molécules a été guidé par leur composition chimique, le C60 étant constitué uniquement d'atomes de carbone hybridés sp², exactement comme le graphène. Ces molécules réagissent avec les atomes d'azote qui ne touchent plus le substrat, ainsi protégé. Une fois le C60 éliminé par chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un...), l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...) obtenu présente des zones peu dopées au milieu de zones plus fortement dopées, l'interface entre les deux constituant ainsi une jonction p-n dans le plan du graphène.

En utilisant un microscope à effet tunnel (Le microscope à effet tunnel (en anglais STM, Scanning Tunneling Microscope) fut inventé en 1981...), ces jonctions ont pu être visualisées avec une résolution atomique. Les mesures spectroscopiques réalisées localement avec le STM ont permis de mesurer le profil du dopage le long de la jonction ainsi que la largeur de la zone de transition. Cette largeur apparait être de 7 nanomètres environ, ce qui est bien en deçà des largeurs obtenues précédemment dans les dispositifs à effet de champ. Ces résultats sont corroborés par des calculs de structure électronique 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). Ils montrent comment l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) du point de Dirac (point de contact entre la bande de valence (En physique du solide, la bande de valence est la bande d'énergie où se situent les électrons...) et la bande de conduction dans le graphène) évolue spatialement de part et d'autre de la jonction. Cette évolution est en particulier liée à la propagation de la densité électronique des atomes d'azote dans le graphène.

Ces travaux constituent la première visualisation à l'échelle atomique de jonctions p-n dans du graphène dopé et ouvrent plusieurs perspectives. D'une part la largeur intrinsèque des jonctions p-n mesurée permet d'envisager la réalisation de structures utilisant des effets d'optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) électronique pour focaliser ou guider les électrons. D'autre part, la méthode de masque par une monocouche moléculaire mise au point ouvre la possibilité d'étudier l'effet de la fonctionnalisation de surfaces par divers éléments autres que l'azote, sur divers matériaux, en mesurant les propriétés des zones fonctionnalisées et non fonctionnalisées avec une résolution à l'échelle atomique.

Références:
Visualizing in-plane junctions in nitrogen-doped graphene.
M. Bouatou, C. Chacon, A. Bach Lorentzen, H. T. Ngo, Y. Girard, V. Repain, A. Bellec, S. Rousset, M. Brandbyge, Y. J. Dappe, J. Lagoute, Advanced Functional Materials, paru le 08/09/2022.
DOI: 10.1002/adfm.202208048
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