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Révéler le profil électronique d’une jonction p-n dans le graphène dopé

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Le graphène, constitué d’un feuillet d’atomes de carbone, possède des propriétés physiques uniques et prometteuses dans de nombreux domaines et en particulier en électronique. La brique élémentaire des composants électroniques est la jonction p-n, qui consiste à mettre en contact deux parties d’un matériau avec des niveaux de dopages différents. Un paramètre important dans ces jonctions est la largeur de la zone de transition à l’interface. Dans le graphène, lorsque cette largeur est ultrafine (moins de 20 nanomètres) des phénomènes de type optique électronique, comme la collimation d’électrons, peuvent apparaitre. Les propriétés à l’échelle atomique de jonctions dans du graphène dopé chimiquement, de manière analogue aux jonction p-n dans les semiconducteurs, sont restées inexplorées jusqu’ici.

Des physiciens du laboratoire Matériaux et phénomènes quantiques (MPQ, CNRS/Université Paris Cité), du Service de physique de l’état condensé (SPEC, CNRS/CEA/Université Paris Saclay), en collaboration avec l’Université Technique du Danemark (DTU) ont mis au point une méthode permettant de réaliser des jonctions dans du graphène dopé par de l’azote, puis de visualiser et mesurer les propriétés électroniques à l’échelle atomique. Pour nanostructurer l’azote, des ilots constitués d’une seule couche de molécules de C60 ont été utilisés comme masques pendant l’exposition du graphène à de l’azote atomique activé par une source plasma. Après avoir enlevé le C60 par chauffage, l’échantillon obtenu présente des zones peu dopées au milieu de zones plus fortement dopées, l’interface entre les deux constituant ainsi une jonction p-n dans le plan du graphène. En utilisant un microscope à effet tunnel (STM), ces jonctions ont pu être visualisées avec une résolution atomique. Les mesures spectroscopiques réalisées localement ont permis de mesurer le profil du dopage le long de la jonction ainsi que la largeur de la zone de transition. Cette largeur correspond à l’équivalent en deux dimensions de la zone de charge d’espace dans les jonctions p-n à base de semiconducteurs traditionnels. Cette largeur apparait être de 7 nanomètres environ, ce qui est bien en deçà de ce qui a pu être obtenu précédemment dans les dispositifs à effet de champ. Ces résultats sont corroborés par des calculs de structure électronique dans le cadre de la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT). En particulier, ces calculs permettent de montrer l’évolution spatiale dans le graphène de l’énergie du point de Dirac, synonyme de dopage dans ce matériau. Cette évolution est en particulier liée à la propagation de la densité électronique des atomes d’azote dans le graphène.
Ces travaux constituent la première visualisation à l’échelle atomique de jonctions dans du graphène dopé et ouvrent plusieurs perspectives. D’une part ce résultat révèle la largeur intrinsèque des jonctions p-n dans le graphène dopé et permet d’envisager la réalisation de structures utilisant des effets d’optique électronique. En ce sens, ces jonctions p-n ultra-fines peuvent être utilisées pour focaliser ou guider les électrons. D’autre part, la méthode de masque par une monocouche moléculaire ouvre la possibilité d’étudier l’effet de la fonctionnalisation de surfaces par divers éléments autres que l’azote, sur divers matériaux, en comparant des zones fonctionnalisées et non fonctionnalisées qui pourront être mesurées simultanément avec une résolution à l’échelle atomique.

Cette publication a été sélectionné comme Actualité sur le site de l’INP


Figure:
Schéma (gauche) représentant un ilot de molécules de C60 utilisé comme masque pour protéger le graphène lors du dopage par exposition à de l’azote activé par une source plasma. Image STM en 3D (droite, haut) montrant une jonction dans le graphène avec un faible dopage à gauche et un fort dopage à droite. Chaque bosse sur l’image correspond à un atome d’azote substitué à du carbone. Les couleurs correspondant à la conductance locale indiquent l’évolution du dopage le long de la jonction (faible en jaune, fort en bleu). Le profil du dopage (énergie du point de Dirac du graphène) le long de la jonction permet de mesurer la largeur de la zone de transition qui est de 6.6 nanomètres dans cet exemple (droite bas).

Contact:
Jérôme Lagoute (jerome.lagoute@u-paris.fr)
Yannick Dappe (yannick.dappe@cea.fr)

Référence:
Visualizing in-plane junctions in nitrogen-doped graphene, M. Bouatou, C. Chacon, A. Bach Lorentzen, H. T. Ngo, Y. Girard, V. Repain, A. Bellec, S. Rousset, M. Brandbyge, Y. J. Dappe, J. Lagoute, Advanced Functional Materials 2208048 (2022)