Super-réseau d’antipoints de Dirac pour les électrons dans les semiconducteurs III-V

Dirac antidot superlattices for electrons in III-V semiconductors

• Auteur / Autrice : Nathali Alexandra Franchina Vergel
• Direction : Bruno Grandidier, Christophe Delerue
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 28/02/2020
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique quantique

Microscopie tunnel à balayage

Matériaux nanostructurés

Composés semiconducteurs

Superréseaux

Puits quantiques

Gaz d'électrons

Graphène

Mots clés libres

Cônes de Dirac

Graphene

Résumé

Le graphène est l'un des matériaux les plus fascinants jamais découverts. L’observation de cette monocouche d’atomes de carbone en 2004, a suscité beaucoup d'enthousiasme dans la communauté de la physique. Il représente en fait la première réalisation d'un matériau bidimensionnel naturel. De plus, l'organisation unique des atomes de carbone lui confère des propriétés électroniques exotiques au graphène. Ainsi, la découverte du graphène a ouvert la porte à des effets quantiques difficiles à observer dans d'autres systèmes conventionnels. Néanmoins, étant un matériau naturel, la feuille de carbone ne vient que dans un arrangement atomique : les atomes sont organisés en réseau hexagonal et leurs positions sont fixes. De nos jours, les propriétés électroniques du graphène peuvent être obtenues dans d'autres systèmes, en particulier ceux ayant une symétrie triangulaire. Ces matériaux, connus sous le nom de « matériaux de Dirac », représentent une plate-forme parfaite pour tester des nouveaux phénomènes quantiques non observables dans le graphène.Dans ce travail de thèse, basé sur des travaux antérieurs et des calculs atomistiques en liaisons fortes, un potentiel périodique avec une géométrie en nid d'abeille sera appliqué sur un gaz d'électrons bidimensionnel. Le gaz d'électrons sera créé dans un puit quantique d’InGaAs/InP épitaxié par jet moléculaire. Le puit d’InGaAs et en particulier, sa nature bidimensionnelle, seront caractérisées par microscopie et spectroscopie à effet tunnel à basse température et par des techniques expérimentales supplémentaires. En poussant à leur limite les lithographies de faisceau d'électrons à haute résolution ou de copolymères à blocs, les barrières de potentiel en nid d'abeilles seront nanostructurées dans la couche d'InGaAs pour confiner directement le mouvement des électrons. Ainsi, la réalisation de réseaux hexagonaux ayant une périodicité comprise entre 45 et 20 nm permettra la formation de cônes Dirac et de bandes plates non triviales couvrant des gammes d'énergie allant jusqu'à des dizaines de meV. Le matériau de Dirac obtenu et sa physique intéressante seront étudiés en utilisant la microscopie et la spectroscopie à effet tunnel à basse température. De cette façon, nous ouvririons la porte à un nouveau domaine attractif qui fournirait un contrôle plus fort sur l'ingénierie des bandes en physique de la matière condensée.

Graphene is one of the most fascinating materials ever discovered. The achievement of this single-layer carbon atoms in 2004, generated a lot of enthusiasm in the physics community. It represents in fact the first realization of a naturally occurring two-dimensional material. In addition, the unique organization of the carbon atoms confers graphene exotic electronic properties. Thus, the discovery of graphene opened the door to quantum mechanical effects that are difficult to observe in other conventional systems. Nevertheless, being a natural material, the carbon sheet comes in only one atomic arrangement: the atoms are organized in a hexagonal lattice and their positions are fixed. Nowadays the electronic properties of graphene can be obtained in other systems, in particular those having a triangular symmetry. These materials, known as “Dirac materials”, represent a perfect platform for testing new quantum mechanical phenomena that cannot be observed in graphene.In this thesis, based on previous works and predictive atomistic tight-binding calculations, a periodic potential with honeycomb geometry will be applied on a two-dimensional electron gas. The electron gas will be hosted in an InGaAs/InP QW heterostructure grown by molecular beam epitaxy. Low temperature scanning tunneling microscopy and spectroscopy and additional experimental techniques will be employed to characterize the InGaAs QW and, in particular, its two-dimensional nature. By pushing to their limit high resolution electron-beam or block copolymer lithographies, the honeycomb potential barriers will be nanopatterned in the InGaAs layer to directly confine the motion of the electrons. Thus, the realization of hexagonal arrays having between 45 and 20 nm periodicity will allow the formation of Dirac cones and non-trivial flat bands covering energy ranges up to tens of meV. The final Dirac material and its exciting physics will be investigated using low temperature scanning tunneling microscopy and spectroscopy. In this way we would open the door to a new attractive field that would provide a stronger control over the band engineering in condensed matter physics.