Des feuillets libres de graphène grâce à l’insertion de silicium sur du carbure de silicium

Des scientifiques français sont parvenus à créer et caractériser des nano-feuillets quasi libres de graphène à partir d’un substrat de carbure de silicium qu’ils ont « enrichi » en silicium. Les propriétés électroniques des nano-jonctions intermédiaires obtenues pendant le processus ont révélé de potentielles applications en tant que diode Schottky.

Le Carbure de Silicium est un semi-conducteur initialement étudié pour ses propriétés électroniques particulières : forte conductivité thermique, large bande interdite, champs de claquage élevé et grande vitesse de saturation des électrons. Récemment il a été l’objet d’un regain d’intérêt, et en particulier le 6H-SiC comme substrat pour produire du graphène, ce matériau qui pourrait révolutionner l’électronique de demain. Malgré sa très grande qualité structurale, les propriétés électroniques du graphène souffrent d’un transfert de charge entre la couche de graphène et la subsurface, conduisant à une modification du dopage intrinsèque et à une chute de la mobilité des porteurs de charges. Pour résoudre ce problème, différentes approches ont été étudiées pour créer du graphène presque libre, grâce à l’insertion d’atomes tels que l’hydrogène, l’oxygène, le fluor, l’or, le lithium, le germanium ou enfin le silicium. L’insertion de Si, compatible avec la technologie électronique actuelle, mais surtout facilement oxydable et capable d’isoler la couche de graphène de son substrat, représente l’une des approches les plus prometteuses.

Une équipe française du Synchrotron SOLEIL, de l’Institut des nanosciences de Paris (CNRS/UPMC), du SPEC de l’Iramis (CEA), du LCPMR (CNRS/UPMC) a étudié le mécanisme d’insertion de Si dans le 6H-SiC, afin de produire des monocouches de graphène. Leurs travaux, publiés dans la revue Carbon montrent que le silicium lors du processus d’intercalation présente deux modes de diffusion à la surface : soit il migre à travers les défauts de surface de la surface, ce qui contribue à découpler le ZLG du substrat, ou alors il s’agglomère en surface.  La répétition du dépôt de Si suivi d’une étape de chauffage à plus de 700°C permet  de faire disparaître les agglomérats de silicium en surface, le silicium étant alors localisé majoritairement à l’interface entre le SiC et un feuillet de graphène, et d’obtenir une monocouche de graphène quasiment découplée du substrat. Le tout a été observé par spectroscopie haute résolution et résolue en angle de photoémission sur la Ligne TEMPO de SOLEIL, ainsi qu’en microscopie à force atomique et diffraction des électrons de basse énergie. Au cours du processus, les scientifiques ont aussi observé un état d’équilibre intermédiaire : des jonctions métal-semi-conducteurs pouvant avoir des applications notamment en tant que diodes Schottky.

Fig. 1: Représentation structurale et évolution du SiC après dépôt de silicium en surface. Au départ, des atomes de silicium sont liés au ZLG. Lors du dépôt, le silicium amorphe est situé en surface (b). Après chauffage, une partie est diffusée versle substrat et entame le découplage du ZLG, alors que l’autre reste agglomérée en surface (c). Lorsque l’opération est répétée, on obtient une monocouche de graphène totalement découplée du substrat (d).

Fig 2 : Visualisation 3D d’une étape d’insertion intermédiaire de silice obtenue par un Microscope à force atomique en contraste de phase.