Croissance et caractérisation de couches de Pb bidimensionnelle sur substrats de Carbure de Silicium

Growth and Characterization of Bidimentionnal Pb Layers on Silicon Carbide Substrates

• Auteur / Autrice : Axel Malecot
• Direction : Marie D'angelo
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 17/10/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des nanosciences de Paris
• Jury : Président / Présidente : Yves Garreau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie D'angelo, Geoffroy Prévot, Muriel Sicot, Sylvain Clair, Frédéric Leroy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sylvain Clair, Frédéric Leroy

Mots clés

Mots clés libres

Surface

Matériaux 2D

Microscopie à effet tunnel

Photoémission

Diffraction X en incidence rasante

Plombène

Surface

2D materials

Scanning tunneling microscope

Photoemission

Grazing Incidence X-ray Diffraction

Plumbene

Résumé

La physique de la matière condensée a permis un grand nombre de découvertes et de développements technologiques au cours du dernier siècle. L'une de ces grandes découvertes est celle du graphène en 2004, qui est le premier matériau 2D à avoir été étudié expérimentalement. Avant cela, il était communément admis que les matériaux 2D ne pouvaient pas être thermodynamiquement stables. La découverte de ce matériau a ainsi été récompensée d'un prix Nobel en 2010. Le graphène est constitué d'un plan d'atomes de carbone organisés dans un réseau nid d'abeille. Ce matériau possède une mobilité électronique et une conductivité thermique extrêmement élevée, une forte résistance mécanique ainsi qu'une flexibilité remarquable. Parmi les nombreux domaines d'intérêt des matériaux 2D, l'étude de leurs propriétés topologiques a connu un essor significatif au cours des 20 dernières années. En 2005, Kane et Mele ont théorisé l'existence des isolants topologiques 2D, une classe de matériaux qui est isolante en volume et conducteur sur les bords. Leur étude s'est initialement concentrée sur le graphène comme exemple. Cependant, l'étude expérimentale des isolants topologiques nécessite la présence d'un gap suffisamment large dans la structure électronique. En prenant en compte le couplage spin orbite du graphène, le gap calculé est inférieur à 10−3 meV, ce qui ne permet pas d'études expérimentales à température ambiante. C'est pourquoi la recherche de matériaux de structure atomique en nid d'abeille composé d'éléments plus lourds, les Xènes, a connu un grand essor ces dernières années. L'objectif est de permettre l'ouverture d'un plus grand gap par effet de couplage spin orbite pour qu'il soit non négligeable à température ambiante (environ 1 eV). Cependant, nombre de ces Xènes, ont été synthétisés sur des substrats métalliques, ce qui limite l'étude de la conduction et des propriétés de transport ainsi que les applications technologiques potentielles. C'est dans ce contexte que se déroule cette thèse, avec pour objectif la synthèse du plombène, prédit comme étant un isolant topologique, sur un substrat semi-conducteur à grand gap. Le contexte de la thèse mentionné plus haut est détaillé dans le chapitre 1. Ce travail se concentre sur la croissance des différentes phases de plomb ainsi que sur leurs caractérisations à l'aide de plusieurs méthodes afin d'explorer expérimentalement le système Pb sur SiC(0001). Ces techniques expérimentales sont détaillées dans le chapitre 2. Le chapitre 3 présente les résultats des travaux réalisés pour étudier les structures de plomb formées sur la reconstruction (3 × 3)-SiC(0001). Nous avons mis en évidence l'existence de deux phases de plomb, toutes deux de périodicité (3 × 3), après dépôt de plomb sur le substrat. L'observation en STM révèle un réseau apparent triangulaire pour l'une des phases et nid d'abeille pour l'autre. Ces phases ont fait l'objet d'analyses en RBS, XPS et GIXD, ce qui nous permet de postuler que l'apparent nid d'abeille observé en STM est en réalité causé par un recouvrement de la densité d'état électronique de plusieurs atomes de plomb disposés dans un réseau hexagonal compact. Aucune de ces deux phases n'est constituée d'un réseau d'atomes organisé en nid d'abeille. Le chapitre 4 présente les études réalisées sur la phase de plomb (2 × 2)Pb formée après dépôt de plomb sur la reconstruction de surface (√3 × √3)R30°-SiC(0001). Cette phase a été mise en évidence en LEED et un réseau apparent triangulaire a été observé en STM. De plus, les images STM et les cartographies STS révèlent des indices sur l'existence d'états de bord à la frontière des domaines atomique de (2 × 2)Pb. De plus, l'analyse de cette phase en GIXD nous permet de déterminer que sa structure atomique est un réseau nid d'abeille d'atomes de plomb ondulé. Cette structure nid d'abeille de plomb peut ainsi être considérée comme un candidat potentiel pour être du plombène.

Condensed matter physics has led to numerous discoveries and technological developments over the past century. One of these major discoveries is graphene in 2004, which is the first 2D material to have been experimentally studied. Before this, it was commonly believed that 2D materials could not be thermodynamically stable. This discovery was recognized with a Nobel Prize in 2010. Graphene consists of a single layer of carbon atoms arranged in a honeycomb lattice. This material possesses extremely high electron mobility and thermal conductivity, along with strong mechanical strength and remarkable flexibility. Among the many areas of interest in 2D materials, the study of their topological properties has seen significant growth over the past 20 years. In 2005, Kane and Mele theorized the existence of 2D topological insulators, a class of materials that are insulating in the bulk but conductive along the edges. Their study initially focused on graphene as an example. However, the experimental study of topological insulators requires the presence of a sufficiently large gap in the electronic structure. When considering the spin-orbit coupling in graphene, the calculated gap is less than 10−3 meV, which is insufficient for experimental studies at room temperature. This is why the search for honeycomb atomic structures composed of heavier elements, known as Xenes, has gained significant momentum in recent years. The goal is to enable a larger gap opening through spin-orbit coupling, making it non-negligible at room temperature (around 1 eV). However, many of these Xenes have been synthesized on metallic substrates, which limits the study of conduction and transport properties as well as potential technological applications. This thesis takes place in this context, with the objective of synthesizing plumbene, predicted to be a topological insulator, on a wide-bandgap semiconductor substrate. The context of the thesis mentioned above is detailed in Chapter 1. This work focuses on the growth of different phases of lead as well as their characterization using various methods to experimentally explore the Pb/SiC(0001) system. These experimental techniques are detailed in Chapter 2. Chapter 3 presents the results of studies conducted to investigate the lead structures formed on the (3 × 3)-SiC(0001) reconstruction. We identified the existence of two lead phases, both with a (3 × 3) periodicity, after lead deposition on the substrate. STM observations reveal an apparent triangular lattice for one phase and a honeycomb lattice for the other. These phases were analyzed using RBS, XPS, and GIXD, leading us to postulate that the apparent honeycomb structure observed in STM is actually caused by an overlap of the electronic density of states from multiple lead atoms arranged in a close-packed hexagonal lattice. Neither of these two phases consists of a honeycomb atomic lattice. Chapter 4 presents studies on the (2 × 2)Pb lead phase formed after lead deposition on the (√3 × √3)R30°-SiC(0001) surface reconstruction. This phase was identified using LEED, and the apparent triangular lattice was observed with STM. Additionally, STM images and STS maps provide clues about the existence of edge states at the boundaries of the (2 × 2)Pb atomic domains. Furthermore, GIXD analysis of this phase allows us to determine that its atomic structure is a buckled honeycomb lattice of lead atoms. This honeycomb lead structure can thus be considered a potential candidate for plumbene.