Spectroscopie raman des excitations électroniques du graphène

par Elisa Riccardi

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Yann Gallais.

Soutenue le 28-06-2017

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Laboratoire Matériaux et phénomènes quantiques (Paris) (laboratoire) et de Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019) (établissement de préparation) .

Le président du jury était Sophie Guéron.

Le jury était composé de Yann Gallais, Sophie Guéron, Abhay Shukla, Clément Faugeras, Denis Basko, Jérôme Lagoute.

Les rapporteurs étaient Abhay Shukla, Clément Faugeras.


  • Résumé

    Depuis sa découverte, les propriétés électroniques exceptionnelles du graphène ont fait l'objet d'un nombre impressionnant d'études, faisant émerger un nouveau domaine de recherche autour des cristaux bidimensionnels. La spectroscopie Raman permet d'accéder de façon rapide, non destructive et sélective en symétrie, à la dynamique des électrons et à leur couplage avec les autres degrés de liberté d'un matériau. Jusqu'au présent, cependant, cette technique a été réservée presque exclusivement à la caractérisation des propriétés vibrationnelles du graphène, qui ne sondent qu'indirectement ses propriétés électroniques. Dans ce travail je mets en évidence le signal Raman électronique de mono- et multi-couches de graphène en le modulant avec une tension de grille. Pour cela j'ai combiné des techniques avancées de fabrication de dispositifs avec un microscope Raman spécialement conçu pour cet objectif. Grâce à l'effet du champ électrique, le continuum Raman électronique du graphène dû aux transitions inter-bande à travers le cône de Dirac, a été identifié et son intensité quantifiée pour la première fois. Les spectres, avec la présence d'un blocage de Pauli des excitations électroniques, sont en excellent accord avec les prévisions théoriques. Les mesures résolues en polarisation ont mis en évidence une propriété originale de la spectroscopie Raman: le fait d'être une sonde privilégiée des excitations électroniques chirales. Cette propriété, attribuée à un phénomène d'interférences quantiques entre les amplitudes de diffusion, ouvre des prospectives très intéressantes dans l'étude d'autres cristaux bidimensionnels et des phases topologiques

  • Titre traduit

    Raman spectroscopy of electronic excitations in graphene


  • Résumé

    Since its discovery, the exceptional electronic properties of graphene have been studied in an impressive number of academic works, giving birth to a new research field dealing with two-dimensional crystals. Raman spectroscopy is a quick, non-destructive and symmetry-selective way to probe the dynamics of electrons and to their coupling with the other degrees of freedom of a material. Until now, nonetheless, this technique had been almost exclusively reserved to the characterization of graphene's vibrational properties, which probe its electronic properties only indirectly. In this work I unravel the electronic Raman signal of mono- and multi-layer graphene tuning it with a gate voltage. In order to do so, I combined advanced techniques of device fabrication with a Raman microscope specifically designed for this goal. By means of the electric field effect, I identified and quantified for the first time the intensity of the electronic Raman continuum of graphene due to the inter-band transitions through the Dirac cone. The spectra, with the presence of a Pauli blocking of electronic excitations, match perfectly with theoretical expectations. The polarization resolved measurements revealed an original property of Raman spectroscopy: it is a unique probe of chiral electronic excitations. This property, attributed to a quantum interferences phenomenon between scattering amplitudes, opens very interesting perspectives in the study of other two-dimensional crystals and of topological phases

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