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10 novembre 2013
Morphologie et densité électronique d'un plan de graphène sur SiC
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Le "graphène", qui est un plan élémentaire de graphite, apparaît comme un matériau de choix pour de nombreuses applications technologiques compte tenu de ses propriétés remarquables. Une voie d’élaboration prometteuse de ce matériau pour une micro/nanoélectronique ultra rapide passe par la croissance de graphène épitaxié sur SiC(0001). Cependant, la morphologie et les propriétés électroniques du graphène ainsi obtenues restent mal connues malgré de nombreuses études expérimentales par différentes techniques et des calculs théoriques. Nos derniers résultats obtenus à l'aide d'un microscope STM-AFM couplés, développé au laboratoire, que les maximas de l'image STM (maximum de densité électronique au niveau de Fermi) sont distincts  des maximas topographiques de l'image AFM.

 

 
Morphologie et densité électronique d'un plan de graphène sur SiC

Topographie AFM (à gauche) et cartographie en courant tunnel (à droite) du graphène épitaxié. Les mailles bleues indiquent des quasi-mailles de la surface reconstruite du substrat. Sur l'image STM, les étoiles au sommet des mailles soulignent les maxima en courant tunnel. Les disques bleus indiquant les maximas topographiques (cartographie AFM) apparaissent systématiquement décalés par rapport aux maximas de courant tunnel. Côté de la maille : 1.9 nm.

Un feuillet de graphène épitaxié sur la surface SiC(0001) reconstruite (6√3x6√3 R30) a été étudié à l’aide d’un microscope développé au laboratoire combinant un microscope à effet tunnel (STM) et un microscope à force atomique (AFM) fonctionnant sous ultra vide. Cet instrument basé sur un diapason en quartz permet d’obtenir simultanément différentes informations sur la surface explorée. Ainsi la topographie STM de la surface est enregistrée avec une cartographie du gradient de force se développant entre pointe et surface. Dans un autre mode de fonctionnement, on accède à la topographie AFM et à la cartographie en courant tunnel en appliquant une tension sur la pointe.  

Toutes ces images montrent les ondulations du feuillet de graphène induites par la rugosité de la surface reconstruite de SiC. Leur comparaison révèle de nouvelles informations. La première est qu’une pointe STM exerce un gradient de force répulsive sur le graphène y compris pour des courants tunnel de ~10 pA. D’autre part comme l’illustre la topographie et la cartographie en courant montrées dans la figure, les bosses topographiques (disques bleus sur la figure) apparaissent décalées par rapport aux maxima de la cartographie en courant tunnel (étoiles vertes), qui sont liés à la densité d’états électroniques au voisinage du niveau de Fermi . Ce décalage trouve son origine dans la déformation du graphène induite par la pointe. La perturbation provoquée par la pointe du microscope doit donc être prise en compte dans la comparaison entre les images expérimentales et les données calculées.

Ce résultat est aussi une parfaite illustration des performances du dispositif STM-AFM conçu au laboratoire et le type d'étude que l'on peut réaliser avec cet instrument aux performances originales.

 

Référence :

Thèse de José Antonio Moràn Meza (IRAMIS/SPCSI/LISO) :

Propriétés structurelles et électroniques du graphène sur SiC(0001) étudiées par microscopie combinée STM-AFM

soutenue le 16 octobre 2013.

 

Maj : 10/11/2013 (2231)

 

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