Croissance de BN hexagonal par épitaxie par jets moléculaires sur nickel

Growth of hexagonal BN by molecular beam epitaxy on nickel

• Auteur / Autrice : Jawad Hadid
• Direction : Dominique Vignaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 07/04/2021
• 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
• Jury : Président / Présidente : Henri Happy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Annick Loiseau, Xavier Wallart
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bérangère Toury-Pierre, Matthieu Jamet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nickel -- Couches minces

Hétérostructures

Épitaxie par faisceaux moléculaires

Croissance

Nitrure de bore

Propriétés électriques

Graphène

Mots clés libres

Matériau bi-dimensionnel

Molecular beam epitaxy

Graphene/BN heterostructures

Two-dimensional material

Résumé

L’exploitation des propriétés électriques du graphène dans des dispositifs reste un défi. Du fait de sa nature bidimensionnelle, ses propriétés sont fortement influencées par l’environnement (substrat …). Récemment, de nombreuses études ont montré que le nitrure de bore hexagonal (h-BN) est un substrat approprié pour préserver les propriétés électriques du graphène. Malgré les progrès dans les techniques de synthèse, les recherches actuelles sont toujours confrontées à un défi majeur: la croissance de BN à grande échelle avec un contrôle de l’épaisseur. Nous explorons dans ce manuscrit la croissance de h-BN par épitaxie par jets moléculaires, technique devant permettre un bon contrôle d'épaisseur des couches dans des conditions d’ultravide. En raison de sa faible différence de paramètre de maille avec le h-BN, du nickel poly- et monocristallin ont été utilisés comme substrats. Utilisant différentes combinaisons de précurseurs, borazine et borazine associée à un plasma azote, nous avons optimisé les conditions de croissances. Nous confirmons grâce à des mesures de photoémission qu’un fort couplage électronique existe à l’interface entre h-BN et Ni. Nous mettons en évidence l’effet catalytique du Ni permettant une croissance de h-BN d'épaisseur constante sur de larges dimensions. D’autre part, en associant la borazine à l’azote actif, nous montrons qu’un excès d’élément V permet de s'affranchir de l’effet catalytique du substrat de Ni et d’obtenir du BN-2D de très bonne qualité cristalline. De plus, nous soulignons la dépendance de la qualité du BN-2D à l’orientation cristalline du substrat.

Exploiting the electrical properties of graphene in devices remains a challenge. Due to its two-dimensional nature, its properties are influenced by the environment (substrate…). Recently, many studies have shown that hexagonal boron nitride (h-BN) is a suitable substrate for preserving the electrical properties of graphene. Despite advances in synthesis techniques, current research is still facing a major challenge: the growth of h-BN on a large scale with the control of the monolayers. In this manuscript, we explore the growth of h-BN by molecular beam epitaxy, a technique expected to provide good layer thickness control under ultra-high vacuum conditions. Due to its slight lattice parameter difference with h-BN, poly- and monocrystalline nickel were used as substrates. Using different precursors set, borazine and borazine associated to activated nitrogen, we optimized the growth conditions. We confirm through photoemission measurements that a strong electronic coupling exists at the interface between h-BN and Ni. We highlight the catalytic effect of Ni allowing the growth of h-BN of constant thickness over large dimensions. On the other hand, by associating borazine to activated nitrogen, we demonstrate that an excess of element V makes it possible to overcome the catalytic effect of the Ni substrate and to obtain 2D-BN with very good crystalline quality. Furthermore, we emphasize the dependence of the 2D-BN quality on the crystal orientation of the substrate.