Lors d’une étude sur les propriétés physiques de nouveaux matériaux bidimensionnels, l'équipe MAT2D du C2N a identifié la présence d’un gaz d’électron bidimensionnel confiné quantiquement dans l'empilement 2H de la phase α de l'In2Se3. L'équipe de recherche a identifié le comportement inhabituel d'un tel matériau ferroélectrique par des mesures ARPES. Ces résultats ont fait la couverture du numéro.
Les matériaux ferroélectriques bidimensionnels (2D) sont des composés prometteurs pour la fabrication des mémoires non volatiles de prochaine génération, en raison de leur faible consommation d'énergie et de leur grande endurance. La phase α de l'In2Se3 est un matériau qui répond à ces critères puisqu'il possède une nature ferroélectrique dans et hors du plan. Il s'agit d'un comportement très prometteur et relativement peu courant, car la plupart des matériaux ferroélectriques massifs perdent leur caractère ferroélectrique lorsque leur épaisseur se réduit en raison de l’effet de champs de dépolarisation. Notre équipe a étudié les propriétés structurelles et optiques du matériau ainsi que ses propriétés électroniques par spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES). Nos résultats dévoilent aussi un autre phénomène 2D inhabituel lié à l'apparition d'un gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG) hautement métallique à la surface des cristaux clivés sous vide. La présence de ce 2DEG est également confirmée par des mesures thermoélectriques. En interaction avec l’équipe COMICS du C2N, nous avons pu comparer les structures de bandes expérimentales et calculées pour montrer l’existence d’une bande interdite de 1,3 eV à transition directe ; le bas de la bande de conduction étant localisé au centre de la zone de Brillouin, juste en dessous du niveau de Fermi. Un dopage de type n important renforce le confinement quantique des électrons et participe à la formation du 2DEG.
Réfèrences :
Quantum Confinement and Electronic Structure at the Surface of van der Waals Ferroelectric α-In2Se3
Geoffroy Kremer1,2, Aymen Mahmoudi1, Adel M’Foukh1, Meryem Bouaziz1, Mehrdad Rahimi3, Maria Luisa Della Rocca3, Patrick Le Fèvre4, Jean-Francois Dayen5,6, François Bertran4, Sylvia Matzen1, Marco Pala1, Julien Chaste1, Fabrice Oehler1, and Abdelkarim Ouerghi1
ACS Nano 2023, 17, 19, 18924–18931
DOI : https://doi.org/10.1021/acsnano.3c04186
Affiliations
1Université Paris-Saclay, CNRS, Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, 91120, Palaiseau, France
2Institut Jean Lamour, UMR 7198, CNRS-Université de Lorraine, Campus ARTEM, 2 allée André Guinier, BP 50840, 54011 Nancy, France
3Université Paris Cité, Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques, CNRS, UMR 7162, 75013 Paris, France.
4SOLEIL Synchrotron, L’Orme des Merisiers, Départementale 128, F-91190 Saint-Aubin,
France
5Université de Strasbourg, IPCMS-CNRS UMR 7504, 23 Rue du Loess, 67034 Strasbourg, France
6Institut Universitaire de France, 1 rue Descartes, 75231 Paris cedex 05, France
Contact : abdelkarim.ouerghi@c2n.upsaclay.fr
Figure: Représentation schématique de la vue latérale de 2H α-In2Se3 et mesure ARPES des bandes de valence et de conductance permettant l'estimation expérimentale de la valeur du gap.
Mot-Clefs : Matériaux 2D, ferroélectricité, gaz d'électrons 2D, structure de bande électronique, spectroscopie de photoémission, Théorie de la fonctionnelle de la densité
