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Equipe
- Membres permanents : Mahmoud Eddrief, Paola Atkinson, Jean-Eudes Duvauchelle, Franck Vidal, Masimiliano Marangolo
En utilisant des systèmes d’épitaxie par jets moléculaires (EJM) dédiés respectivement à la croissance de séléniures ou arséniures, nous nous intéressons à la croissance de matériaux 2D et de gaz d’électrons 2D. Ces systèmes sont ensuite étudiés par une grande variété de techniques – à la fois structurales (TEM, STM, XRD) et électroniques (ARPES, spectroscopie Raman, mesures de magnéto-transport à basse température...).
L’équipe dispose de 2 systèmes EJM pour la croissance de séléniures : un bâti RIBER 2300 (installé en 1988) et un bâti SVTA acheté grâce à une subvention de la région Île-de-France (installé en 2019). Les bâtis séléniures sont interconnecté par un tunnel de transfert ultra-vide MECA2000. S’ajoute un bâti RIBER C21 pour la croissance des arséniures (installé en 2009), qui a été financé grâce à une subvention ANR-technologies émergentes.
Les lignes de recherche suivantes sont actuellement explorées :
- Croissance de l’isolant topologique 3D Bi2Se3
Les isolants topologiques 3D (TI) sont une classe de matériaux relativement nouvelle, caractérisée par une bande interdite en volume et des états de surface métalliques. Ces états de surface, qui résultent d’une inversion de bandes due à un fort couplage spin-orbite dans ces matériaux, sont verrouillés en spin-impulsion et topologiquement protégés contre la rétrodiffusion. Ils pourraient permettre de créer des courants polarisés en spin sans dissipation avec des applications dans les domaines de la spintronique et le calcul quantique. Parmi les matériaux 3D TI, Bi2Se est l’un des plus attractifs en raison de sa grande bande interdite (environ 0,3 eV) qui ouvre la possibilité de créer des dispositifs spintroniques TI fonctionnant à température ambiante.
Figure 1 : Transition d’un isolant conventionnel à un isolant topologique lors de l’augmentation de l’épaisseur, mesurée par ARPES sur des films épitaxiés de Bi2Se3 obtenus par croissance MBE [1]
Cependant, la présence de défauts intrinsèques en volume et aux interfaces empêche d’obtenir une signature claire des états de surface dans les mesures électriques. L’un des défis de la croissance MBE est de réduire la densité et effet de ces défauts, à la fois par l’alliage, le dopage, et le choix des conditions de croissance et par la conception des hétérostructures. Un autre défi est de créer un TI dopé magnétiquement. L’intérêt ici est due au fait que le plupart des impuretés magnétiques n’incorpore pas aux sites substitutionels mais ils créent des clusters d’un alliage différent dans le TI [3]
- Croissance de semi-conducteurs van-der-Waals 2D tels que GaSe
La croissance MBE de GaSe dans la gamme d’épaisseur de quelques couches atomiques a été démontrée. Cela permet de mettre en évidence des changements spectaculaires dans la structure de bande électronique de ce semi-conducteur lors de la réduction de l’épaisseur de 3 à 2, puis à une seule monocouche [4]
Figure 2 : (a) Schéma de 1 TL GaSe sur bicouche de graphène épitaxié sur SiC. (b) Image STM (300 nm x 300 nm) montrant GaSe fait par EJM avec des régions d’épaisseur 1TL, 2TL et 3TL (c) Mesures dI/dV montrant la diminution de la bande interdite avec l’épaisseur croissante. Les lignes en pointillé bleu montrent les bords de la bande de valence et de la bande de conduction.
- Croissance de gaz d’électrons 2D d’hétérostructures GaAs/AlGaAs
En utilisant un système Riber compact 21 équipé avec une seule pompe ionique de 400L/s nous faisons croître les gaz d’électrons 2D d’une mobilité de 2.106 cm2V-1s-1 pour une densité de porteurs de 3.1011 cm-2 où le gaz d’éléctrons 2D est confiné à une interface GaAs / Al0.33Ga0.67As à 90 nm sous la surface (voir figure). Cela indique que la concentration d’impuretés de fond dans la chambre est relativement faible – dans la gamme 10-14 cm-3 qui va nous permettre étudier à l’avenir le couplage entre un gaz d’éléctrons 2D et des boîtes quantiques pour les applications en informatique quantique.
Figure 3 : (a) Profil de la bande de conduction (ligne rouge) et fonction d’onde des électrons confinés dans une hétérostructure GaAs/AlAs (ligne bleue) (b) Support modifié pour le PPMS (Physical Properties Measurement System) avec connecteur pour boîtier de type LCC (leadless chip carrier). (c) Mesures de magnéto-transport à 2K d’un gaz d’électrons 2D situé 90 nm en-dessous de la surface, médaillon: image de microscopie optique de la croix de Hall mesurée.
Publications récentes
[1] F. Vidal, M. Eddrief, B. Rache Salles, I. Vobornik, E. Velez-Fort, G. Panaccione, and M. Marangolo, Photon energy dependence of circular dichroism in angle-resolved photoemission spectroscopy of Bi2Se3 Dirac states, Phys. Rev. B 88, 241410(R) (2013). https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01240526/
[2] M. Eddrief, P. Atkinson, V. Etgens, B. Jusserand, Low-temperature Raman fingerprints for few-quintuple layer topological insulator Bi2Se3 films epitaxied on GaAs, Nanotechnology 25, 245701 (2014). https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01229143
[3] H. M. N. Vasconcelos, M. Eddrief, Y. Zheng, D. Demaille, S. Hidki, E. Fonda, A. Novikova, J. Fujii, P. Torelli, B. RacheSalles, I. Vobornik, G. Panaccione, A. J. A de Oliveira, M. Marangolo, and F. Vidal, Magnetically Hard Fe3Se4 Embedded in Bi2Se3 Topological Insulator Thin Films Grown by Molecular Beam Epitaxy, ACS Nano, 10, 1132 (2016). https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01366827
[4] Z. Ben Aziza, D. Pierucci, H. Henck, M. G. Silly, C. David, M. Yoon, F. Sirotti, K. Xiao, M. Eddrief, J.-C. Girard, and A. Ouerghi, Tunable quasiparticle band gap in few-layer GaSe/graphene van der Waals heterostructures, Phys. Rev. B 96, 035407 (2017). https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01366827
[5] A. Assouline, C. Feuillet-Palma, N. Bergeal, T. Zhang, A. Mottaghizadeh, A. Zimmers, E. Lhuillier, M. Eddrief, P. Atkinson, M. Aprili, H. Aubin, Spin-Orbit induced phase-shift in Bi2Se3 Josephson junctions, Nature Communications 10, 126 (2019). https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01983043
