Zoom Science-Novembre/Décembre 2010

Graphène : de la théorie à la fabrication

Matériau d’avenir, le graphène fait l’objet de nombreuses recherches. Il est entre autres thématiques, étudié à l’Institut de minéralogie et de physique des milieux condensés (IMPMC), ainsi qu’à l’Institut des Nanosciences de Paris (INSP). Ce sujet a amené les deux entités à travailler ensemble, avec la participation du Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (LPN). Tandis que le premier laboratoire a effectué un travail remarqué sur la théorie de la spectroscopie Raman et a déposé un brevet sur la fabrication du graphène, le second a contribué à cette collaboration en apportant ses compétences en salle blanche, en microscopie de champ proche, ainsi que son expertise synchrotron. Le dernier a quant à lui, mis en forme le matériau sur un substrat original.


Cette année, le prix Nobel de Physique a été attribué à A. Geim et K. Novoselov pour la découverte du graphène, une couche monoatomique de carbone aux propriétés électroniques et mécaniques remarquables. Un prix Nobel pour un matériau sur lequel on travaille seulement depuis quelques années, souligne son impact scientifique.

L’intérêt de ce matériau se trouve autant dans les expériences fondamentales (l’effet Hall quantique par exemple), que dans le domaine des applications (micro et nanoélectronique). Sa structure est un plan de nids d’abeille où le coin de chaque hexagone est occupé par un atome de carbone. Le graphène est un semi-métal, c’est à dire que s’il n’y a pas de bande interdite correspondant à une gamme d’énergie prohibée pour les électrons comme dans les semi-conducteurs, il n’y a pas non plus pléthore d’électrons libres, comme dans les métaux. Le graphène se situe donc entre les deux. Mais parmi les qualités qui en font une ’star’ indiscutable, il y a la haute mobilité de ses porteurs de charge, une manne pour les dispositifs haute fréquence. Une autre qualité est sa résistance mécanique élevée, permettant d’imaginer des applications en tant que conducteur transparent sur support flexible dans de futurs écrans. Par ailleurs, le comportement des porteurs de charge (électrons ou trous) est très particulier. Dans le nid d’abeille de carbone, ils se déplacent comme le feraient des photons : à une vitesse cent fois moindre bien évidemment, malgré la haute mobilité, mais comme des particules sans masse au repos, permettant un grand nombre d’expériences de physique fondamentale.

Des travaux pionniers ont été accomplis dans l’équipe ’Théorie Quantique des Matériaux’ de l’IMPMC, notamment un travail fondamental concernant l’interprétation de la spectroscopie Raman [1] du graphène, devenue depuis, la méthode de choix pour sa caractérisation en nombre de couches et en dopage.

A l’IMPMC toujours, l’équipe ’Matériaux Avancés’ a développé une nouvelle technique [2] pour fabriquer du graphène (Brevet WO 2009/074755). Cette équipe a aussi mis au point des dispositifs du type transistor à effet de champ et caractérisé le matériau avec des mesures de spectroscopie Raman (Fig.1) et de conductivité [3]. Cette méthode de fabrication permet d’obtenir d’autres matériaux parfaitement bidimensionnels et ouvre un nouveau champ de recherche lié à l’investigation et à la modulation de leurs propriétés physiques.

La collaboration avec l’INSP a permis de sonder et de manipuler les propriétés à l’échelle d’un seul feuillet du graphène. Les mesures d’AFM et de STM ont été effectuées sur des zones microscopiques, préalablement sondées par spectroscopie Raman (détermination du nombre de couches) et ont permis d’étudier les caractéristiques propres au graphène mono et bi-couche (fig. 2). Les techniques lithographiques de salle blanche ont été utilisées pour la réalisation des dispositifs de type transistor à effet de champ (fig.3) permettant de doper le graphène en électrons ou en trous.

Finalement, le LPN a adapté la croissance du graphène sur des substrats de silicium terminés par une couche mince de SiC [4,5]. Ceci permettrait de rendre cette technique de croissance industriellement viable. Préalablement étudié par spectroscopie Raman à l’IMPMC, le graphène épitaxié sur le Silicium montre la singularité caractéristique de sa structure de bande électronique (Fig. 4) [6]. Ces mesures de photoémission résolue angulairement ont été obtenues en collaboration avec les chercheurs de l’INSP sur la ligne TEMPO à SOLEIL.

Ce consortium parisien a su nouer des collaborations constructives autour du graphène produit par deux méthodes originales et complémentaires : par exfoliation (IMPMC) et par épitaxie sur un substrat de silicium (LPN). L’enjeu sera de suivre cette voie, mais aussi d’aller au delà du graphène avec d’autres matériaux bidimensionnels. A suivre…

1) « Raman Spectrum of Graphene and Graphene Layers », A. C. Ferrari, J. C. Meyer, V. Scardaci, C. Casiraghi, M. Lazzeri, F. Mauri, S. Piscanec, D. Jiang, K. S. Novoselov, S. Roth, and A. K. Geim, Physical Review Letters 97, 187401 (2006)
2) ’’Graphene made easy : large area, high quality samples’’, A. Shukla, Rakesh Kumar, Javed Mazher and Adrian Balan, Solid State Communications 149, 718, (2009)
3) « Anodic bonded graphene » A. Balan, R. Kumar, M. Boukhicha, O. Beyssac, JC. Boulliard, D. Taverna, W. Sacks, M. Marangolo, E. Lacaze, R. Gohier, W. Escoffier, JM. Poumirol, Abhay Shukla, J. Phys. D- Applied Physics 43, 374013 (2010)
4) « Epitaxial graphene on 3C-SiC(111) pseudosubstrate » Ouerghi A, Marangolo M, Belkhou R, El Moussaoui S, Silly MG, Eddrief M, Largeau L, Portail M, Fain B, Sirotti F , Phys. Rev. B 82, 125445 (2010)
5) « Epitaxial graphene on cubic SiC(111)/Si(111) substrate » Ouerghi A, Kahouli A, Lucot D, Portail M, Travers L, Gierak J, Penuelas J, Jegou P, Shukla A, Chassagne T, Zielinski M , Appl. Phys. Lett. 96, 191910 (2010)
6) « Structural coherency of epitaxial graphene on 3C–SiC(111) epilayers on Si(111) », A. Ouerghi, R. Belkhou, M. Marangolo, M. G. Silly, S. El Moussaoui, M. Eddrief, L. Largeau, M. Portail, and F. Sirotti, Appl. Phys. Lett. 97, 161905 (2010)

 
Pour en savoir plus
Figure 1

(a) Image de microscopie optique d’une monocouche de graphène entourée d’une bicouche. (b) carte Raman d’une partie de la couche de la figure1a.(c) Spectres Raman caractéristiques (ligne G et 2D) d’une monocouche et d’une bicouche

Figure 2

(a) Microscopie optique d'un échantillon de graphène utilisé pour les microscopies AFM et STM. (b) Image AFM d'une partie de cet échantillon, au niveau du rectangle rouge de (a). L'épaisseur de la marche par rapport au substrat est de 1.2nm et correspond à une bicouche. (c) Une monocouche de graphène visualisée par STM présente la structure en nid d'abeille. Dans l'insert, on visualise le profil effectué le long de la ligne blanche.

Figure 3

Resistance en fonction de la tension de grille (? ??) pour le dispositif présenté en insert

Figure 4

Structure de bande obtenue par ARPES d'une monocouche de graphène sur un pseudo-substrat de 3C-SiC111 sur silicium. (Ligne Tempo, Soleil)


Contacts :
IMPMC :
Equipe « Théorie Quantique des Matériaux » : Francesco Mauri
Equipe « Matériaux Avancés » : Abhay Shukla

INSP :
Emmanuelle Lacaze
Massimiliano Marangolo
Mahmoud Eddrief
Salle blanche : Roger Gohier

LPN :
Abdelkarim Ouerghi