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Quelle est la structure électronique d’un empilement de feuillets de graphène ?

29 septembre 2014

IPCMS - UMR 7504 , LNCMI - UPR 3228

Des physiciens viennent pour la première fois de mesurer l’évolution de la structure électronique de couches de graphène superposées, de la monocouche à la pentacouche, par spectroscopie Raman en présence d’un champ magnétique intense.

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Dans un feuillet de graphène, épais d’un seul atome, le mouvement des électrons est confiné dans un plan. Pour comprendre comment leur dynamique évolue de cette configuration bidimensionnelle aux trois dimensions du graphite massif, les physiciens analysent la structure électronique des empilements d’un nombre fini de couches. Grâce à l’utilisation de spectroscopie Raman en champ magnétique intense, des chercheurs de l’Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg - IPCMS (CNRS/Univ. Strasbourg) et du Laboratoire national des champs magnétiques intenses - LNCMI (CNRS) viennent de mesurer la structure électronique dans des empilements allant d’une à cinq couches de graphène en présence d’un champ magnétique intense. En utilisant pour leurs mesures la spectroscopie Raman, les physiciens ont pour la première fois mesuré des transitions électroniques entre deux bandes de conduction. Ce travail, publié dans la revue Nano Letters montre le potentiel de la spectroscopie magnéto-Raman qui permet de sonder les excitations électroniques, sans contact, avec une résolution latérale de l’ordre du micromètre pour l’étude de la structure électronique de cristaux bidimensionnels.

Pour réaliser ces expériences, les physiciens ont placé leurs échantillons de graphène de très haute qualité cristalline sur un substrat support percé de trous de 8 micromètres de diamètre. Ils ont alors effectué leurs mesures sur la partie des feuillets de graphène se trouvant au-dessus de ces trous, c’est-à-dire suspendus au-dessus du vide et donc débarrassés des perturbations associées au contact avec le substrat. Les différents échantillons ont été soumis à des champs magnétiques intenses perpendiculaires au feuillet, pouvant atteindre la trentaine de Teslas. Le confinement du mouvement des électrons dus à ce champ magnétique transforme le continuum d’états quantiques présents à champ nul en des états discrets fortement dégénérés dont l’évolution en fonction du champ magnétique est directement liée au nombre de monofeuillets de graphène superposés. Ces niveaux sont sondés par spectroscopie Raman, en éclairant une petite zone du feuillet de graphène avec un laser et en mesurant l’énergie transférée par le laser aux électrons à l’aide du spectre de la lumière diffusée par le feuillet. Une représentation du spectre des excitations électroniques en fonction du champ magnétique permet alors de visualiser la structure caractéristique des niveaux puis d’en déduire les propriétés électroniques à champ nul et notamment la vitesse des électrons, qui est directement liée à l’énergie d’interaction entre plus proches voisins dans le plan de l’échantillon. En raison de l’auto-écrantage diélectrique au sein d’un échantillon, cette vitesse, anormalement élevée dans le cas d’un monofeuillet, décroît lorsque le nombre de feuillets de graphène augmente, pour converger vers la limite mesurée dans le graphite massif.

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(gauche) Image optique d’un échantillon de graphène montrant des régions suspendues. Le nombre de couches est indiqué. (centre) Niveaux de Landau d’une tricouche de graphène. (droite) Spectres magnéto-Raman, mesurés au centre de la tricouche suspendue encadrée sur l’image à gauche, en fonction du champ magnétique. Les traces qui apparaissent sur cette carte correspondent aux transitions inter-niveaux de Landau.

En savoir plus

Probing electronic excitations in mono- to pentalayer graphene by micro-magneto-Raman spectroscopy
S. Berciaud1, M. Potemski2 et C. Faugeras2, Nano Letters, 2014

  • Retrouvez la publication sur la base d’archives ouvertes arXiv

Contact chercheur

Stéphane Berciaud, Maître de conférences de l’Université de Strasbourg
Clément Faugeras, chargé de recherche CNRS

Informations complémentaires

1 Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS)
2 Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses (LNCMI)

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Simon Jumel,
inp.com cnrs.fr