Amphi Charpak
Kejian Wang, doctorant dans l’équipe Physico-chimie et dynamique des surfaces.
Modélisation et simulations Monte-Carlo Cinétique de la croissance épitaxiale des matériaux 2D
Depuis la découverte du graphène par exfoliation, les matériaux bidimensionnels (2D) ont suscité un grand intérêt en raison de leurs propriétés remarquables. Si l’exfoliation a permis la production de nombreux matériaux 2D, la croissance épitaxiale, plus systématique et contrôlée, reste insuffisamment développée.
Pourtant, la croissance van der Waals de matériaux 2D produit des modes de croissance nouveaux. L’épitaxie de Si sur Ag(111) a ainsi démontré l’insertion du Si sur la première couche du substrat, donnant lieu à une croissance et un coarsening enterrés. Pour l’épitaxie de Si mais aussi celle de Ge sur graphène, le système développe soit de larges flocons 2D entourés d’un bourrelet, soit des pyramides dendritiques, soit la coexistence de ces deux structures, en fonction de la cinétique de croissance. Enfin, la croissance de MoSe$_2$ sur hBN peut donner lieu à des flocons purement 2D dans un mode de croissance original en deux étapes de nucléation puis croissance.
Pour expliquer ces phénomènes, une description hors-équilibre sur réseau a été développée dans cette thèse, et a été analysée par simulations Monte-Carlo cinétique. Des modèles spécifiques ont été calibrés pour chaque système en incorporant les effets physiques pertinents en plus des mécanismes classiques de dépôt, diffusion, attachement et détachement: intermixing pour Si/Ag, énergie d’adsorption, démouillage et stabilisation des bords de marche pour Si et Ge sur Gr, barrière Ehrlich-Schwoebel pour MoSe$_2$ sur hBN. La détermination des paramètres par une méthodologie combinant l’analyse fine des images de microscopie avec l’examen systématique des résultats des simulations a permis de reproduire l’essentiel des caractéristiques singulières des différents modes de croissance expérimentaux.
L’épitaxie de van der Waals donne à voir une richesse de comportements nouveaux essentiellement liés à la cinétique du système. L’exploration de l’espace des phases dynamiques et des états métastables permet de générer des morphologies complexes et inattendues. La compréhension des mécanismes de croissance abordée dans cette thèse, en termes de mûrissement, de franchissement ou de stabilisation des bords de marche, ou de compétition entre la diffusion et l’attachement, permet d’envisager le contrôle des structures originales de l’épitaxie des matériaux 2D.
Modelling and Kinetic Monte Carlo Simulations of Epitaxial Growth of 2D Materials
Since the discovery of graphene by exfoliation, two-dimensional (2D) materials have attracted considerable interest due to their remarkable properties. While exfoliation has enabled the production of numerous 2D materials, epitaxial growth, which is more systematic and controlled, remains underdeveloped.
However, van der Waals growth of 2D materials produces new growth modes. Epitaxy of Si on Ag(111) has demonstrated the insertion of Si into the first layer of the substrate, resulting in buried growth and coarsening. For the epitaxy of Si and also that of Ge on graphene, the system develops either large 2D flakes surrounded by a rim, dendritic pyramids, or the coexistence of these two structures, depending on the growth kinetics. Finally, the growth of MoSe$_2$ on hBN can give rise to purely 2D flakes in an original two-step growth mode involving nucleation followed by growth.
To explain these phenomena, a non-equilibrium network description was developed in this thesis and analyzed using kinetic Monte Carlo simulations. Specific models were calibrated for each system by incorporating relevant physical effects in addition to the classical mechanisms of deposition, diffusion, attachment, and detachment: intermixing for Si/Ag, adsorption energy, dewetting, and step edge stabilization for Si and Ge on Gr, Ehrlich-Schwoebel barrier for MoSe$_2$ on hBN. The determination of parameters using a methodology combining detailed analysis of microscopy images with systematic examination of simulation results made it possible to reproduce most of the unique characteristics of the different experimental growth modes.
Van der Waals epitaxy reveals a wealth of new behaviors mainly related to the kinetics of the system. The exploration of the space of dynamic phases and metastable states makes it possible to generate complex and unexpected morphologies. The understanding of growth mechanisms addressed in this thesis, in terms of ripening, crossing or stabilization of step edges, or competition between diffusion and attachment, makes it possible to envisage the control of original structures in the epitaxy of 2D materials.
Jury
- Stefano CURIOTTO – Chargé de recherche, CINaM – Rapporteur
- Alberto PIMPINELLI – Professeur, Inst. Pascal – Rapporteur
- Anne HEMMERYCK – Directrice de recherche, LAAS – Examinatrice
- Francesco MONTALENTI – Professeur, University of Milano-Bicocca – Examinateur
- Isabelle BERBEZIER – Directrice de recherche, IM2NP – Membre invitée
- Geoffroy PRÉVOT – Directeur de recherche, INSP – Membre invité
- Jean-Noël AQUA – Professeur, INSP – Directeur de thèse
