Dans le but d'améliorer les propriétés physiques des matériaux bidimensionnels (2D), l'équipe MAT2D du C2N étudie les propriétés optiques et électroniques de l'empilement orthorhombique (3R) du diséléniure de tungstène (WSe2) sur un semi-conducteur III-V tridimensionnel (3D), le phosphure de gallium (GaP). La technique de croissance utilisée est l'épitaxie par jets moléculaires avec passivation spécifique du substrat GaP(111B) par le selenium avant la croissance de WSe2. L'équipe de recherche et ses collaborateurs ont clarifié l'impact du substrat GaP sur le matériau 2D.
La croissance de matériaux bidimensionnels (2D) sur les semi-conducteurs tridimensionnels (3D) standards donne lieu à des hétérostructures hybrides 2D/3D, qui offrent une grande variété de propriétés électroniques en fonction de la composition chimique, du nombre de couches et de l'ordre d'empilement. Notre équipe au C2N étudie en particulier la phase 3R ferroélectrique d’une bicouche de WSe2. Après avoir étudié la structure de bande électronique de ce matériau 2D dans ses autres formes (Phys. Rev. B 108, 045417), nous démontrons qu'une bicouche de diséléniure de tungstène à empilement rhomboédrique peut être obtenue par épitaxie par jets moléculaires sur un substrat de phosphure de gallium. Nous confirmons la présence d'une bicouche dans un empilement 3R en utilisant une combinaison de microscopie électronique à transmission à balayage (STEM), de spectroscopie micro-Raman et de spectroscopie de photoémission résolue en angle à haute résolution (ARPES). Nos résultats confirment l'absence de liaisons chimiques à l'interface, ce qui se traduit par une épitaxie quasi-van der Walls de WSe2 sur le substrat GaP. Nos mesures ARPES révèlent la bande de valence attendue de WSe2 avec le maximum de bande situé au point Γ de la zone de Brillouin. La comparaison avec un calcul DFT confirme la nature de l'empilement 3R et la faible interaction quasi-van der Waals entre le matériau 2D et le substrat 3D.
Reference :
Quasi van der Waals Epitaxy of Rhombohedral-Stacked Bilayer WSe2 on GaP(111) Heterostructure
Aymen Mahmoudi1, Meryem Bouaziz1, Niels Chapuis2, Geoffroy Kremer1, Julien Chaste1, Davide Romanin1, Marco Pala1, François Bertran3, Patrick Le Fèvre3, Iann C. Gerber4, Gilles Patriarche1, Fabrice Oehler1, Xavier Wallart2, Abdelkarim Ouerghi1
ACS Nano 2023, 17, 21, 21307–21316
DOI : https://doi.org/10.1021/acsnano.3c05818
Affiliations
1Université Paris-Saclay, CNRS, Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, 91120, Palaiseau, Paris, France
2Univ. Lille, CNRS, Centrale Lille, JUNIA ISEN, Univ. Polytechnique Hauts de France, UMR 8520-IEMN F59000 Lille France
3Synchrotron SOLEIL, L'Orme des Merisiers, Départementale 128, 91190 Saint-Aubin, France
4Université de Toulouse, INSA-CNRS-UPS, LPCNO, 135 Avenue de Rangueil, 31077 Toulouse, France
Contact : abdelkarim.ouerghi@c2n.upsaclay.fr
Figure : Représentation schématique de la vue de dessus des séquences d'empilement de WSe2 en bicouche 3R et mesure ARPES de la bande de valence le long de la direction de haute symétrie de ΓK
Mot-Clefs : Matériaux 2D - EJM - hétérostructure 2D sur 3D - structure de bande électronique - WSe2 bicouche – DFT
