Croissance et propriétés électroniques du silicène hétéroépitaxié sur B : Si(111)-(√3×√3)R30° et Ag/Si(111)-(√3×√3)R30°

Synthesis and electronic properties of silicene grown on B by heteroepitaxy : Si(111)-(√3x√3)R30° and Ag/Si(111)-(√3x√3)R30°

• Auteur / Autrice : Hela Mrezguia
• Direction : Jean-Marc Themlin, Abdelwahad Akremi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Matière condensée et nanosciences
• Date : Soutenance le 21/12/2020
• Etablissement(s) : Aix-Marseille en cotutelle avec Université de Carthage (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (IM2NP) (Marseille, Toulon)
• Jury : Président / Présidente : Laurence Masson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Khaled Raouadi, Luca Giovanelli, Younal Ksari Habiles
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohammed-Ali Zaibi, Andrew J. Mayne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie électronique

Argent -- Composés

Silicium cristallisé

Silicium -- Substrats

Silicium -- Composés

Épitaxie

Hétéroépitaxie

Mots clés libres

Silicène

Matériaux 2D

Photoémission inverse

Hétéroépitaxie

Spectroscopies électroniques

Silicene

2D materials

Inverse photoemission

Heteroepitaxy

Electron spectroscopies

Electron spectroscopie

Résumé

Ce travail expérimental porte sur la synthèse du silicène hétéroépitaxié sur des substrats Si(111) passivés par des atomes de bore ou d’argent. L’adsorption à température contrôlée d’une quantité de Si proche d’une monocouche sur les substrats B:Si(111)-(√3×√3)R30° et Ag/Si(111)-(√3×√3)R30°, mène à la formation, sur chaque substrat, d’une couche bidimensionnelle de Si, compacte et bien ordonnée, qui adopte la symétrie du substrat, que nous attribuons au silicène hétéroépitaxié. Nous avons utilisé le LEED, AES, IPES/ARIPES. La mesure du courant absorbé (TCS) et l’évolution du travail d’extraction indiquent de fortes perturbations des propriétés électroniques de la couche de charge d’espace du substrat. Celle-ci s’accompagne de la disparition des états de surface de chaque substrat, remplacés par de nouveaux états électroniques UB et U0 caractéristiques, aux profils de dispersion sans rapport avec la symétrie (√3×√3)R30°. Sur Ag/Si(111)-(√3×√3)R30°, la disparition de l’état bidimensionnel S1 d’électrons quasi-libres, à la dispersion parabolique, provoque une transition métal/isolant. Les positions énergétiques des états UB et U0, éloignées de EF, indiquent une interaction significative avec le substrat, bien que non-covalente, impliquant un transfert de charges spatialement inhomogène du silicène avec le substrat. Mesurés par ARIPES, les profils de la dispersion des états inoccupés UB et U0 caractéristiques de la couche 2D ordonnée de Si apparaissent compatibles avec la symétrie d’une monocouche de silicène orientée, qui fait correspondre la direction Γ-M√3 de la première zone de Brillouin de la reconstruction (√3×√3)R30° avec la direction Γ-KSilicene du silicène

We realized the heteroepitaxy of silicene on Si(111) substrates passivated in two ways, either by B or Ag atoms. We deposited Si atoms on the UHV-prepared substrates B:Si(111)-(√3×√3)R30° and Ag/Si(111)-(√3×√3)R30° kept at controlled temperatures. we used LEED, AES, IPES/ARIPES. According to LEED, the adsorption of roughly one monolayer of Si on both substrates leads to the formation of a compact Si bidimensional layer which adopts the (√3×√3)R30° symmetry of the substrates. TCS and the evolution of the work function indicate strong perturbations of the substrate space-charge layer, while IPES reveals the disappearance of the surface states characteristic of each substrate. On Ag/Si(111)-(√3×√3)R30°, the disappearance of the well-known S1 « free-electron-like » surface state induces a metal/insulator transition. Instead of these surface states, new unoccupied electronic states UB and U0 appear which are associated to silicene on each substrate, with dispersions profiles which do not show the characteristics of a (√3×√3)R30° symmetry. Their limited overall bandwidths (resp. ~0.3 and ~0.45 eV) indicate rather large effective masses for electrons and suggest possible correlation effects which could justify the rather large measured bandgaps (resp. 2 eV and ~1 eV). The positions of UB and U0, far from the Fermi level, manifest a non-covalent but sizable interaction silcene/substrate, most probably a charge transfer which may be spatially inhomogeneous. The dispersion profiles of UB and U0 measured by ARIPES are compatible with the symmetry of a silicene layer with the Γ-KSilicene direction oriented along the Γ-M√3 direction of the reconstruction (√3×√3)R30°