Propriétés Structurales et Électroniques du Graphène Épitaxié sur Carbure de Silicium

Structural and Electronic Properties of Epitaxial Graphene on Silicon Carbide

• Auteur / Autrice : Mohamed Ridene
• Direction : Bernard Étienne, Samia Charfi-Kaddour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/10/2013
• Etablissement(s) : Paris 11 en cotutelle avec Université de Tunis El-Manar. Faculté des Sciences de Tunis (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique de la région parisienne (....-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (Marcoussis, Essonne ; 1984-2016)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Étienne, Samia Charfi-Kaddour, Henri Happy, Benoît Jouault, Gilles Montambaux, Massimiliano Marangolo, Meherzi Oueslati
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Henri Happy, Benoît Jouault

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isolants Mott

Carbure de silicium

Hall quantique, Effet

Microscopie tunnel à balayage

Nanorubans

Graphène

Mots clés libres

Graphène

Carbure de Silicium

Microscopie/Spectroscopie à effet tunnel

Nanorubans de graphène

Singularités de Van Hove

Effet Hall quantique

Transition Isolant-Effet Hall

Transition de phase quantique

Graphene

Silicon Carbide

Scanning Tunneling Microscopy/Spectroscopy

Graphene nanoribbons

Van Hove Singularities

Quantum Hall effect

Insulator-Hall effect transition

Quantum Phase transition

Résumé

La synthèse du graphène par traitement thermique d’un substrat de carbure de silicium (SiC) est une technique prometteuse pour l’intégration de ce nouveau matériau dans l’industrie, notamment dans les dispositifs électroniques. L’avantage de cette méthode réside dans la croissance de films minces de graphène de taille macroscopique directement sur substrat isolant. Toutefois, avant d’intégrer ce matériau, il convient d’en contrôler la synthèse et d’en moduler les propriétés. Dans ce travail de thèse, nous étudions les propriétés structurales et électroniques du graphène obtenu par la graphitisation des polytypes 3C-, 4H- et 6H-SiC. A partir de diverses méthodes de caractérisation, telles que la diffraction des électrons lents (LEED) ou la microscopie et spectroscopie à effet tunnel (STM/STS), nous avons vérifié, dans un premier temps, que le caractère discontinu du graphène sur les bords de marches peut introduire un confinement latéral supplémentaire des électrons dans le graphène. Dans un second temps, l’observation des singularités de Van Hove nous a permis de démontrer l’effet de confinement unidimensionnel dans les régions d’accumulations de marches du SiC. Enfin, l’introduction de désordre dans nos couches de graphène induit une réduction de la densité de porteurs de charges dans les couches. De même, ce désordre conduit à une transition de phase quantique entre le régime localisé et le régime d’effet Hall quantique.

The synthesis of graphene by thermal decomposition of silicon carbide (SiC) is a promising technique for the integration of this new material in the industry, especially in electronic devices. The advantage of this method lies in the growth of macroscopic graphene films directly on an insulator substrate. However, before using this material in electronic devices, it is advisable to control its synthesis and modulate its properties. In this thesis, we present the structural and electronic properties of graphene obtained by graphitization of 3C- , 4H - and 6H- SiC polytypes. Various characterization methods were used, including low energy electron diffraction (LEED) and microscopy and scanning tunneling spectroscopy (STM / STS). Based on STM / STS measurements, we show that the discontinuity of epitaxial graphene at the step edges may introduce an additional lateral confinement of electrons in graphene. The observation of Van Hove singularities in the STS spectra confirmed the one dimensional confinement of graphene in step bunching regions of SiC.Finally, we show that when disorder is introduced on our graphene samples, the charge carrier density is reduced. This disorder lead to the observation of a quantum phase transition from a localized regime to a quantum Hall effect regime.