Propriétés électroniques et structurales du graphène sur carbure de silicium

Electronic and structural properties of graphene on silicon carbide

• Auteur / Autrice : François Varchon
• Direction : Laurence Magaud, Pierre Mallet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carbure de silicium

Microscopie tunnel à balayage

Graphène

Mots clés libres

Calculs ab initio

Résumé

Le graphène est un plan unique d'atomes de carbone formant une structure en nid d'abeilles. Dans le cas idéal, le graphène possède des propriétés physiques étonnantes, comme une structure électronique en « cône de Dirac ». Depuis 2004, il est connu qu'on peut obtenir ce matériau bidimensionnel à partir de la graphitisation du carbure de silicium (SiC). Sur la base de calculs ab initio et d'expériences de microscopie à effet tunnel (STM), nous avons entrepris de sonder les propriétés électroniques et structurales du graphène sur SiC et de déterminer en quoi elles sont similaires ou au contraire différentes du graphène idéal. Ce manuscrit commence par une introduction générale sur la thématique du graphène et se poursuit par une description des deux méthodes utilisées durant ce travail. Il vient ensuite l'exposé de nos résultats obtenus pour le graphène sur la face terminée Si et celle terminée C des polytypes hexagonaux du SiC. Nous avons montré notamment que le premier plan de carbone généré sur la face terminée Si se comporte comme un plan tampon, lequel permet aux autres plans qui le recouvrent d'avoir une structure électronique de type monoplan/multiplan de graphène. D'autres aspects liés à la nature complexe de l'interface comme la présence d'états localisés ou l'existence d'une forte structuration du plan tampon sont également discutés. Pour une surface terminée C suffisamment graphitisée, nos travaux révèlent l'existence d'un désordre rotationnel entre les plans de graphène successifs qui se manifeste sous forme de Moiré sur les images STM. Nous montrons par des calculs ab initio qu'une simple rotation permet de découpler électroniquement les plans de graphène.

This work is devoted to theoretical and experimental studies of graphene on silicon carbide. Graphene consists of a single carbon plane arranged on a honeycomb lattice. Because of this peculiar lattice, ideal graphene exhibits outstanding electronic properties such as massless Dirac fermions close to the Fermi energy. From experimental point of view, a convenient way to synthetize graphene is the thermal decomposition of the hexagonal faces of a silicon carbide (SiC) crystal. In the present work, electronic and structural properties of graphene on SiC are studied by ab initio calculations and scanning tunneling microscopy. They are compared to the ideal graphene case. After an introduction on the graphene topic, we describe ab initio calculations (based on density functional theory) and scanning tunnelling microscopy which are the two methods used in this thesis. Then we present our different results for graphene on both surfaces of SiC (Si- and C-face, respectively). For the Si-face, we demonstrate the existence of a strong interaction between the substrate and the first carbon layer. This prevents any graphitic electronic properties for this layer (buffer layer). However, the graphitic nature of the film is recovered by the second and the third absorbed layers. For the C-face, we have analyzed by STM thin films made of few graphene layers. We observe superstructures which are interpreted as Moiré patterns due to a misorientation angle between consecutive layers. Ab initio calculations are used to demonstrate that a twisted bilayer presents a band structure with the linear dispersion characteristic of isolated graphene.