Mémoire de Master/Stagiaire en Croissance de matériaux 2D sur métaux liquides

Imaginez des matériaux aussi fins qu’un seul atome, mais possédant une résistance, une flexibilité et des propriétés électriques incroyables. Ce ne sont pas de la science-fiction mais le résultat d’une ingénierie de pointe. Les matériaux bidimensionnels (2DM), dont le meilleur exemple est le graphène – une seule couche d’atomes de carbone disposés dans un réseau en nid d’abeilles – ont ouvert la porte à un univers de possibilités auparavant inimaginables. Dans ce projet, nous repoussons encore plus les limites en concevant de nouvelles phases de 2DM, qui ne peuvent pas être produites en vrac par des méthodes de croissance à l’équilibre, elles ne peuvent donc pas être exfoliées, mais elles ne peuvent être conçues que sous forme de films 2D atomiquement minces par des méthodes de synthèse. . Essentiellement, nous créerons des matériaux aux propriétés adaptées pour des applications spécifiques. Ces matériaux pourraient révolutionner des secteurs tels que l’électronique, où ils pourraient conduire au développement de dispositifs ultra-rapides, ultra-fins et économes en énergie.

Nous ciblons une classe de matériaux qui sont des semi-conducteurs (GaN, SiC) et des isolants (AlN), adoptant la structure 3D wurtzite dans leur forme massive. Ces matériaux sont polaires, accumulant des charges et créant de l’énergie électrostatique à leur surface. Sous une épaisseur critique de quelques monocouches, les matériaux passent à une phase hexagonale 2D plate et non polaire ressemblant à celle du nitrure de bore hexagonal (hBN) afin de minimiser ou d’éliminer l’énergie électrostatique. L’objectif principal est de concevoir ces matériaux dans la phase hexagonale 2D ciblée et de les incorporer dans des transistors de validation de principe, des mémoires et des dispositifs à diodes électroluminescentes pour montrer qu’ils peuvent avoir un impact sur les technologies électroniques et photoniques.

Les principaux catalyseurs sont la technologie de catalyseur à métal liquide pour la croissance transparente de couches 2D monocristallines de grande surface. Nous avons récemment réalisé la croissance par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de graphène de la plus haute qualité sur de grandes surfaces en utilisant du métal liquide comme substrat et catalyseur pour la décomposition des précurseurs. Cela a été rendu possible grâce au suivi fin de la croissance, réalisé en temps réel, à l’aide de trois techniques complémentaires (microscopie optique, spectrométrie Raman, diffraction des rayons X synchrotron), permise par notre réacteur de pointe de fabrication maison, et retour en temps réel sur les paramètres de croissance (voir https://lmcat.eu et Jankowski et al, ACS Nano 2021, 15, 9638−9648).

Dans ce travail, nous proposons d’appliquer la même approche à la croissance de h -BN. En conséquence, nous nous attendons à une amélioration significative de la qualité structurelle et de la taille du matériau 2D développé.

Les travaux expérimentaux seront réalisés dans un laboratoire dédié situé à l’ESRF, hébergeant un réacteur CVD avec les outils de caractérisation in situ associés : microscopie optique en mode émission, spectroscopie Raman et diffusion des rayons X synchrotron. Vous travaillerez avec l’équipe locale de l’ESRF, en lien étroit avec les équipes externes.

Tout d’abord, vous trouverez les conditions expérimentales pour faire croître h -BN, SiC, AlN et GaN sur des métaux liquides. Ceux-ci seront analysés à différentes échelles de longueur, du nanométrique au macroscopique, et sur différentes échelles de temps en fonction des conditions expérimentales (température, pression du gaz réactif et flux). Ensuite, les résultats seront interprétés en étroite collaboration avec des théoriciens. Dans une étape ultérieure, vous participerez au transfert des couches 2DM sur d’autres substrats et à la réalisation d’expériences pour étudier (en collaboration) certaines de leurs propriétés physiques.