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Sonder les frontières dans une mosaïque de graphène

23 décembre 2014

MPQ - UMR 7162

Des physiciens viennent de montrer que dans un feuillet de graphène polycristallin, la différence d’orientation entre les réseaux cristallins de deux domaines voisins détermine de manière cruciale la géométrie et les propriétés électriques de leurs frontières.

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L’une des méthodes les plus efficaces pour fabriquer des feuillets de graphène de grande surface est le dépôt d’atomes de carbone sur une surface de cuivre. Les échantillons ainsi obtenus sont toutefois une mosaïque de monocristaux de graphène dont les propriétés électriques sont déterminées par les frontières entre domaines cristallins voisins appelées joints de grains. Des physiciens du laboratoire Matériaux et Phénomène Quantique - MPQ (CNRS/Univ. Paris Diderot), du centre de recherche sur la matière de l’Université de Namur et de l’institut de physique théorique de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) viennent pour la première fois de caractériser les propriétés géométriques et électroniques de ces joints de grains et de montrer qu’elles sont déterminées de manière cruciale par l’angle que forment les directions cristallines des deux domaines voisins. Lorsque cet angle est inférieur à 20 degrés, le graphène ne reste plus plan ; il cloque, ce qui est désastreux pour la conduction électronique. En revanche, lorsque cet angle est de l’ordre de 30 degrés, le feuillet de graphène reste plan et le joint de grain présente un effet de filtrage des électrons potentiellement intéressant pour des applications. Ce travail est publié dans la revue Nano Letters.

Pour ce travail, les physiciens ont étudié des échantillons de graphène de grande qualité fabriqués à Namur par épitaxie sur du carbure de silicium. Les mesures de la géométrie du feuillet et de ses propriétés électroniques ont été réalisées à l’aide d’un microscope à effet tunnel à basse température. Par une analyse systématique d’un grand nombre d’images de joints de grains résolues à l’échelle atomique, les chercheurs ont pu montrer que ces défauts subissaient une transition de cloquage pour des angles de désorientation entre les grains cristallins de moins de 19°. La surface du graphène se soulève alors de près d’un nanomètre, soit trois fois la taille d’un atome. Des calculs théoriques, réalisés à Lausanne par la technique de la fonctionnelle de la densité, confirment cette observation et expliquent ce phénomène par les contraintes importantes localisées dans ces joints de grains, qui sont partiellement relaxées par le cloquage. Pour des angles de désorientation plus importants, des joints de grains plats et périodiques, composés d’une succession d’atomes de carbone en sites pentagonaux et heptagonaux, ont été mesurés pour la première fois et parfaitement caractérisés. Les calculs montrent que ce joint périodique est un filtre qui permet de sélectionner les électrons du graphène en direction et en vitesse. La réalisation contrôlée de tels défauts pourrait trouver des débouchés intéressants pour la fabrication de dispositifs électroniques.

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Image au microscope à effet tunnel en vue tridimensionelle de plusieurs grains cristallins de graphène séparés par des joints de grains. Ces derniers peuvent être plats (au centre) ou cloqués (en haut) en fonction de l’angle de désorientation entre les grains.

En savoir plus

Grain Boundaries in Graphene on SiC(000-1) Substrate
Y. Tison1, J. Lagoute1, V. Repain1, C. Chacon1, Y. Girard1, F. Joucken2, R. Sporken2, F. Gargiulo3, O. V. Yazyev3 et S. Rousset1 Nano Letters 14, 6382 (2014)

Contact chercheur

Jérôme Lagoute, chargé de recherche CNRS

Informations complémentaires

1 Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques (MPQ)
2 Research Center in Physics of Matter and Radiation, Université de Namur
3 Institute of Theoretical Physics, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)

Contacts INP

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