Croissance de phosphorène

Growth of phosphorene

• Auteur / Autrice : Wei Zhang
• Direction : Hamid Oughaddou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée
• Date : Soutenance le 06/07/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences moléculaires d'Orsay (2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Talal Mallah
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Dentel, Bertrand Kierren, Azzedine Bendounan, Jérôme Lagoute
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Didier Dentel, Bertrand Kierren

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phosphorène

Rayonnement synchrotron

Microscopie tunnel à balayage

Spectroscopie des rayons X

Nanoélectronique

Mots clés libres

Phosphorène

Matériau à deux dimensions

STM

PES

Phosphorence

Two-Dimensional materials

STM

PES

Résumé

Au cours de la dernière décennie, la recherche sur les matériaux 2D a considérablement progressé en raison de leurs nouvelles propriétés jusqu'alors inconnues et de leurs potentielles applications en électronique et optoélectronique de nouvelle génération. En particulier, le phosphorène a récemment suscité un vif intérêt car il possède plusieurs propriétés qui le distinguent des autres matériaux 2D. En effet, il présente une bande interdite intrinsèque accordable, qui peut varier de 1,8 eV pour une monocouche atomique à 0,35 eV pour un cristal de phosphore noir, avec une grande mobilité des porteurs et un rapport ON/OFF élevé. Tous ces attributs rendent le phosphorène parfaitement adapté aux applications électroniques et optoélectroniques à l'échelle nanométrique.Inspiré par la recherche réalisée sur le phosphorène noir, une nouvelle structure allotropique 2D du phosphore, le phosphorène bleu, a été théoriquement prédite. Cette structure est en nids d'abeilles et partage de nombreuses caractéristiques avec le phosphorène noir. La synthèse du phosphorène est basée principalement sur les techniques d’exfoliations du phosphore noir. Cependant, la synthèse contrôlée du phosphorène basée sur des processus industriels tels que la croissance par jets moléculaires ou le dépôt chimique en phase vapeur reste un défi majeur pour une intégration future dans des applications industrielles.Dans cette thèse, on présente une étude expérimentale de la croissance du phosphore sur un substrat d’Au(111) et d’Ag(111). Les expériences ont été réalisées en utilisant les techniques ultravides suivantes : la microscopie et la spectroscopie à effet tunnel (STM-STS), la diffraction d’électrons lents (LEED), la spectroscopie d’électrons Auger (AES), la spectroscopie de photoélectrons (XPS) et la photoémission résolue en angle (ARPES).Dans le chapitre 1, on présentera l’état de l’art de la synthèse du phosphorène.Dans le chapitre 2, on décrira les bases des techniques expérimentales utilisées dans cette thèse.Dans le chapitre 3, on présentera la croissance du phosphore sur une surface d’Au(111). Les images de microscopie à effet tunnel montrent une couche ordonnée du phosphorène bleu alors que les mesures ARPES montrent une valeur du gap au moins égale à 0.8 eV. La réactivité du phosphorène sur la surface d’Au(111) a aussi été étudiée en fonction de la température et nous avons mis en évidence un processus de substitution des atomes d’or avec les atomes de phosphore.Dans le chapitre 4, on présentera la croissance du phosphore sur une surface d’Ag(111). Les images STM montrent une structure 2D du phosphore constituée de pentamères auto-organisés alors que les mesures STS montrent un gap de 1.2 eV. Le dépôt du phosphore donne lieu aussi à la formation de nano-rubans auto-organisés avec un gap de 1.8 eV. Finalement, le dépôt du phosphore à haute température donne lieu la formation d’ilôts monoatomiques auto-organisés.Dans le derrière partie on présentera une conclusion ainsi qu’une perspective de cette étude.

Over the last decade, the research in 2D materials has grown appreciably, due to their new hitherto unknown properties as well as their great promise for application in next generation electronic and optoelectronic devices. In particularly, phosphorene has recently attracted intensive interest because it has several properties that distinguish it from other 2D materials, including an intrinsic direct band gap, that can be tuned from 1.8 eV for a monolayer to 0.35 eV for bulk black phosphorus crystals, and high carrier mobility with high on/off ratio. All these attributes make it suitable for nano-scale devices.Inspired by the investigation of black phosphorene, a new attractive 2D phosphorus allotrope, blue phosphorene, has been predicted theoretically, which shares many excellent characteristics as black phosphorene with the buckled honeycomb lattice. So far, phosphorene is obtained by exfoliation of black phosphorus. The controlled synthesis of phosphorene, based on industrial processes such as MBE and chemical vapor deposition (CVD), is still a major challenge for further applications.In this thesis, we present an experimental investigation of the epitaxial growth of phosphorus on Au(111) and Ag(111) substrates. The experiments were performed using the following ultra-high vacuum surface science techniques: scanning tunneling microscopy and spectroscopy (STM-STS), low energy electron diffraction (LEED), Auger electron spectroscopy (AES), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES).In chapter 1, we present the state of the art on the synthesis of phosphorene.In chapter 2, we describe the basis of the experimental setup and techniques used in this thesis.In chapter 3, we present the growth of blue phosphorene Au(111). The STM images show an extended and ordered layer of blue phosphorene while the ARPES measurements show that the blue phosphorene presents a band gap of at least 0.8 eV. The reactivity of phosphorus on Au(111) versus the temperature of the substrate is studied and we highlight a substitution process between phosphorus atoms and the topmost Au atoms.In chapter 4, we present the growth of 2D phosphorus structures on Ag(111). The STM images show self-assembled 2D layer of phosphorus pentamers while the STS measurements give a band gap of 1.20 eV. Deposition of Phosphorus induces also self-assembled black phosphorene nanoribbons with a band gap value of 1.8 eV. Finally, deposition of phosphorus at elevated temperature induces a self-assembled phosphorus monoatomic islands.In the last part we present a conclusion with a perspective of this study.