Barre 22-23, 3e étage, pièce 317
Axel Malécot, doctorant dans l’équipe Spectroscopie des nouveaux états quantiques.
Croissance et caractérisation de couches de plomb 2D sur substrats de Carbure de Silicium
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. 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 élevées, 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 SiC(0001). Nous avons identifié plusieurs nouvelles phases de plomb sur différentes reconstructions de surface du substrat, caractérisées à l’aide de plusieurs techniques expérimentales. Une de ces phases de Plomb présente une structure atomique en nid d’abeille et est au centre de notre étude.
Growth and Characterization of 2D Lead Layers on Silicon Carbide Substrates
Abstract
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. 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 : SiC(0001). We have identified several new phases of lead on different surface reconstructions of the substrate, characterized using various experimental techniques. One of these lead phases exhibits a honeycomb atomic structure and is the focus of our study.
Jury
- Frédéric Leroy – Professeur des universités – Rapporteur
- Sylvain Clair – Directeur de recherche – Rapporteur
- Marie D’angelo – Maître de conférences – Co-directrice de thèse
- Geoffroy Prévot – Directeur de recherche – Co-directeur de thèse
- Yves Garreau – Professeur des universités – Examinateur
- Muriel Sicot – Chargée de recherche – Examinatrice
