Hétérostructure graphène / silicium : de la formation de l'interface aux propriétés de transport électronique

Graphene / silicon heterostructure : from interface formation to electronic transport properties

• Auteur / Autrice : Jules Courtin
• Direction : Philippe Schieffer, Jean-Christophe Le Breton
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/12/2020
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique (Rennes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium

Graphène

Propriétés électroniques

Interfaces (sciences physiques)

Semiconducteurs

Mots clés libres

Physique des semi-Conducteur

Contact Schottky

Interface métal/semi-Conducteur

Graphene / silicon heterostructure

Résumé

L’interface graphène/silicium présente un intérêt pour des domaines diverses et variés tels que le photovoltaïque, l’électronique et l’électronique de spin pour ne citer qu’eux. Ce travail de thèse, basé sur la combinaison de mesures de photoémission, de transports et de calculs DFT permet une meilleure compréhension des propriétés électroniques de cette interface ainsi que des mécanismes associés à la formation de la barrière Schottky. Nous mettons en évidence un désancrage du niveau de Fermi à l’interface graphène/silicium ou métal/graphène/silicium. Cela implique que la hauteur de la barrière Schottky peut être contrôlée par modification du travail de sortie du graphène. Les calculs DFT révèlent que ce non-ancrage du niveau de Fermi à l’interface graphène/silicium résulte d’une faible densité d’états induit dans la bande interdite du silicium par le graphène. Nous montrons que ce phénomène est principalement associé à la structure de bande du graphène dont les électrons proches du niveau de Fermi sont en bord de zone de Brillouin conduisant à une longueur d’évanescence des fonctions d’ondes électroniques faible comparée aux métaux classiques. La levée de l’ancrage du niveau de Fermi à l’interface métal/silicium par addition à l’interface d’un feuillet de graphène nous a permis d’obtenir des structures métal/graphène/silicium intéressantes pour l’électronique de spin.

The graphene / silicon interface is of interest to diverse fields such as photovoltaics, electronics and spin electronics to name a few. This thesis work, based on the combination of photoemission measurements, transport and DFT calculations, allows a better understanding of the electronic properties of this interface as well as of the mechanisms associated with the formation of the Schottky barrier. We show a de-anchoring of the closure level at the graphene/silicon or metal/graphene/silicon interface. This implies that the height of the Schottky barrier can be controlled by modifying the work of exiting the graphene. DFT calculations reveal that this non-anchoring of the closure level at the graphene/silicon interface describes a low density of states induced in the bandgap of silicon by graphene. We show that this phenomenon is mainly associated with the structure of the graphene band whose electrons close to the closing level are at the edge of the Brillouin zone, leading to a low evanescence length of electronic functions compared to classical metals. The removal of the anchoring of the closure level at the metal / silicon interface by addition to the interface of a graphene sheet has enabled us to obtain interesting metal/graphene/silicon structures for spin electronics.