Épitaxie et interactions

Épitaxie sous faibles interactions (van der Waals)

épitaxie de Van der Waals

h-BN

dicalcogénures

graphene

silicene

matériaux 2D

Contexte et objectifs

À partir de 2004 pour le graphène et 2010 pour les dichalcogénures de métaux de transition (MoS₂), l’activité scientifique sur les matériaux 2D a connu un essor considérable. Ceci tient au fait que, réduits à deux dimensions, ces matériaux présentent des propriétés physiques exaltées par les effets de confinement quantique. D’autre part, grâce à leur caractère van der Waals, il est aisé de les empiler sous la forme d’hétérostructures de vdW et ainsi réaliser des matériaux présentant de nouvelles propriétés électroniques par effets de proximité ou liées à la présence de Moiré. Aujourd’hui, il existe une quantité considérable de nouveaux matériaux 2D qui couvrent toutes les propriétés physiques de la matière condensée : isolants (hBN), semiconducteurs (MoS₂, WSe₂), semimétaux (graphene, PtSe₂), métaux (VSe₂), supraconducteurs (NbSe₂) et ferromagnétiques (CrI₃, CrGeTe₃). Cette diversité associée à leurs caractères atomique et van der Waals permet d’envisager leur utilisation dans un grand nombre de dispositifs et d’applications.

Cependant, la quasi-totalité des travaux publiés sur ces matériaux ont utilisé des flocons de taille micrométrique obtenus par exfoliation mécanique depuis le matériau lamellaire massif. Ce fait est unique dans l’histoire des matériaux, car les propriétés physiques des matériaux 2D ont été explorées avant même le développement de leur croissance sous forme de monocristaux sur de grandes surfaces.

La communauté scientifique est maintenant consciente qu’il va falloir consentir un effort substantiel pour développer cette croissance et l’épitaxie constitue la meilleure solution envisagée. Cependant, le caractère bidimensionnel de ces matériaux supprime la notion d’épaisseur critique et la croissance épitaxiale ne peut être réalisée que sur un substrat parfaitement adapté en termes de paramètre de maille (et de compatibilité chimique). Il s’agit là d’un véritable enjeu puisque ce type de substrat n’existe pas pour la majorité des matériaux 2D. La solution envisagée est donc l’utilisation de substrats de type vdW ou quasi vdW (surface dont les liaisons chimiques pendantes ont été parfaitement passivées). Sur ce type de substrat, on parle alors d’épitaxie de vdW : elle permet de faire croître des monocouches de matériaux 2D parfaitement relaxées. Ce type de croissance constitue l’objet principal de cet axe du GdR Matepi avec pour objectifs des développements expérimentaux mais aussi des développements théoriques pour comprendre et maîtriser l’épitaxie de vdW. Des collaborations étroites avec les épitaxieurs, expérimentateurs (pour la caractérisation fine des couches fabriquées) mais aussi avec des théoriciens et modélisateurs seront nécessaires pour progresser dans ce domaine. Un sujet connexe sera aussi abordé dans cet axe, il s’agit de la « remote epitaxy » qui consiste à étudier la croissance d’un matériau 3D sur un matériau 2D de type van der Waals. Enfin, cet axe aura des liens étroits avec le GdR HOWDI sur l’étude des hétérostructures de van der Waals.