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Première preuve de synthèse de nanorubans de silicène sur un isolant

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Le silicène, couche unique d'atomes de silicium organisés en nid d'abeilles, est avec le graphène - équivalent du silicène, mais avec du carbone - l'un des nouveaux matériaux 2D suscitant un grand intérêt en raison de son potentiel d'intégration dans les nanotechnologies modernes. Cependant, la production de silicène autoporté* s'est avérée un énorme défi.

Cette étude dévoile la première démonstration expérimentale de formation d'une monocouche de silicène sur une couche mince isolante de NaCl. Les résultats mettent en évidence la formation de nanorubans de silicène découplés du substrat métallique par la couche mince de NaCl, et ouvrent de réelles perspectives pour l'intégration du silicène en tant que matériau 2D dans les dispositifs électroniques.

Quelques années après la découverte du graphène, conducteur électronique exceptionnel, une grande attention a été accordée à la recherche de nouveaux matériaux bidimensionnels (2D). En effet, l'intégration du graphène dans les dispositifs électroniques présente certaines limites en raison de l'absence de « bande interdite intrinsèque » dans sa structure électronique, se traduisant par l’absence de propriétés semiconductrices chez ce matériau. Trouver des composés pouvant à la fois former des structures 2D, être semiconducteur et avoir une structure électronique semblable à celle du graphène permettrait de surmonter ces limitations. C’est le cas du silicène ou de germanène (atomes de Germanium).

La première preuve expérimentale de l'existence d'une couche atomique de silicium 2D avec une structure en nid d'abeille -le silicène- a été obtenue sur une surface d'Ag(111) en 2010. Peu après, la croissance de silicène sur de nombreux autres substrats métalliques a été rapportée dans la littérature. Cependant, la question de la structure électronique du silicène reste ouverte en raison de l'existence d'un fort couplage entre le silicène et le substrat métallique qui entraine la destruction de ses propriétés intrinsèques.

Pour la première fois, des équipes de l'ISMO (France), de la ligne TEMPO de SOLEIL, du CEA, de l'Université Mohamed V (Maroc) et de l'université de Floride centrale (États-Unis) sont parvenues à produire des nanorubans de silicène sur une couche isolante de NaCl par épitaxie en jet moléculaire. Des images de microscopie à effet tunnel (STM) à la résolution atomique enregistrées à basse température (78 K) à l'ISMO révèlent des nanorubans de silicène organisés en nid d'abeille (Figure 1a). Une étude de simulation basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) est en accord avec les résultats expérimentaux (Figure 1b).

Figure 1 :
(a) Image de STM présentant des nanorubans de silicium en forme de nid d'abeille.
(b) Vues de haut (en haut) et de profil (en bas) de la structure obtenue par simulation théorique des nanorubans de silicène sur du NaCl/Ag(110) après relaxation complète. Les atomes Ag, Cl, Na, H et Si sont représentés respectivement en gris, vert, jaune, rouge et bleu-violet. Les cellules (1x1) et (3x4) sont indiquées respectivement par le petit rectangle et le grand rectangle.

Des expériences de spectroscopie de photoélectrons des rayons X (XPS) à haute résolution ont été réalisées sur la ligne TEMPO. Des spectres des niveaux de cœur de Cl 2p et Na 2s ont été mesurés après dépôt de Si sur NaCl/Ag(110). Les spectres des niveaux de cœur du Cl et du Na sont composés d’un seul doublet de pics séparés par le couplage spin-orbite (Figure 2). Cela signifie que les ions Na et Cl n’ont qu’un seul environnement chimique (Na entouré d’atomes de Cl, et Cl entouré d’atomes de Na). Ceci constitue une première preuve de l'interaction faible entre la couche de NaCl et le Si, ainsi qu'entre la couche de NaCl et le substrat d'argent. De même, le spectre Si 2p ne présente qu’une seule composante de couplage spin-orbite, ce qui indique que les atomes de silicium sont tous équivalents en n’ayant qu’un seul environnement chimique. Ainsi, les atomes de Si sont adsorbés sur la couche de NaCl et l'interaction Si-NaCl est faible.

Figure 2 : Spectres des niveaux de cœur en haute résolution correspondant respectivement à :
a) Na 2s,
b) Cl 2p, enregistrés après avoir déposé 1 monocouche de NaCl sur un substrat d'Ag(110) ;
c) Si 2p, enregistré après avoir déposé 1 monocouche de silicium par-dessus la surface de NaCl/Ag(110). Tous les spectres sont enregistrés à l'émission normale (0°). Les points correspondent aux données brutes et la courbe noire superposée correspond au meilleur ajustement. Pour chaque spectre, la composante de meilleur ajustement est indiquée en noir.

Des mesures d’EXAFS enregistrées au seuil K du Si sur la ligne LUCIA de SOLEIL ont fourni des informations complémentaires sur la structure locale de la couche de silicium 2D formée sur la surface de NaCl/Ag(110). Elles permettent de déterminer précisément la distance interatomique entre l'atome excité (Si dans ce cas) et ses voisins. Réalisées sur du silicium massif et sur une couche de silicium formée sur une surface de NaCl/Ag(110), ces mesures ont confirmé que les atomes de Si sont situés sur la couche de NaCl, et pas directement sur la surface d'Ag.

À la lumière de toutes les informations obtenues par les études STM, XPS, EXAFS et les calculs DFT, les scientifiques concluent que les atomes de silicium sont adsorbés sur la couche ultra-mince de NaCl de manière à former une couche 2D avec une structure locale de type silicène, qui est suffisamment découplée du substrat d'argent.

L’existence d’un tel découplage, garante de la préservation des propriétés du silicène, permet d’envisager l’intégration de celui-ci dans des dispositifs qui pourraient exploiter à la fois ses qualités de semi-conducteur et la grande mobilité de ses électrons, pour une électronique plus rapide et miniaturisée.

*autoporté : les matériaux 2D sont synthétisés à la surface d’un matériau appelé « substrat ». Les interactions entre le substrat et les atomes du matériau 2D peuvent modifier les propriétés de ce dernier, c’est pourquoi les chercheurs tentent de diminuer ces interactions. Lorsqu’elles sont réduites au maximum, on parle de matériau 2D autoporté.