Séminaire : Un cristal bidimensionnel de germanium : le germanène

Carmelo PIRRI, professeur à l'Institut de Science des Matériaux de Mulhouse (IS2M), fera une présentation de ses travaux de recherche le jeudi 11 Juin 2015 à 11h00 en salle 40 du bâtiment 40 situé sur le campus CNRS de Cronenbourg.

Titre : Un cristal bidimensionnel de germanium : le germanène

Équipe : MaCEPV

Résumé : Le germanène, cousin des cristaux bidimensionnels (2D) comme le graphène et le silicène, vient d’être réalisé en couche parfaitement continue sur des distances allant bien au-delà du micromètre par des chercheurs de l’Institut de science des matériaux de Mulhouse (CNRS / UHA). La formation d’un  tel cristal sur une si grande distance est une première mondiale. Ces cristaux bidimensionnels, à la famille desquels appartient désormais le germanène, pourraient constituer les briques élémentaires des dispositifs pour la microélectronique et les énergies de demain. Ce travail a fait l’objet d’une publication dans la revue Nanoletters.
L’élaboration et la caractérisation de cristaux 2D, formés d’un seul plan atomique ordonné en nid d’abeille, est un domaine de recherche en pleine expansion, du fait de leurs extraordinaires propriétés électroniques, mesurées dans le cas du graphène, et attendues dans le cas du silicène (formé à partir de silicium), et du germanène (à base de germanium). Alors que la forme volumique du graphène se trouve dans la nature (le graphite), il n’existe pas d’équivalent en volume pour le silicène et le germanène. Ce dernier a déjà été observé sur une surface d’or, mais seulement en petits domaines déployés sur la face (111) de l’or, et présentant plusieurs orientations différentes par rapport au substrat. Des chercheurs de l’Institut de science des matériaux de Mulhouse viennent d’obtenir et de caractériser pour la première fois une couche continue et monolithique de germanène déposée sur un support en aluminium. Le germanène a été obtenu en déposant sous ultravide du germanium sur la face (111) d’un cristal d’aluminium. Le taux de dépôt du germanium doit être très lent, de l’ordre de 0,005nm/mn, et la température du substrat impérativement comprise entre 80 et  100 °C. Des mesures par diffraction d’électrons lents montrent que la couche est ordonnée. Les images par microscopie à effet tunnel témoignent d’une couche continue avec une structure atomique en nid d’abeille. La présence de marches dont la hauteur est celle de l’aluminium confirme que la couche de germanium recouvre totalement le substrat. Le système a ensuite été modélisé à l’aide d’une méthode de calcul quantique appelée « théorie de la fonctionnelle de la densité ». Les images de microscopie à effet tunnel simulées s’accordent parfaitement avec les images expérimentales, ce qui confirme que les atomes de germanium sont effectivement ordonnés selon un réseau en nid d’abeille. Les calculs mettent également en avant l’absence de liaisons chimiques entre les atomes de germanium et ceux d’aluminium, ce qui néanmoins n’exclut pas l’existence d’interactions entre les deux espèces chimiques. La caractérisation fine de la structure électronique de la couche de germanène est maintenant une étape incontournable qui permettra de dévoiler les propriétés de ce nouveau matériau.