Etude expérimentale des hétérodéformations dans les moirés des bicouches de graphène

Experimental study of heterostrain in moiré superlattices of graphene bilayers

• Auteur / Autrice : Florie Mesple
• Direction : Vincent Renard, Claude Chapelier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 21/12/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Photonique, électronique et ingénierie quantiques (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Laurence Magaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rebeca Ribeiro-Palau, Clemens Winkelmann, Jérôme Lagoute
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Joseph Anthony Stroscio, Mikhail Iosifovitch Katsnelson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthode de moiré

Microscopie tunnel à balayage

Graphène

Mots clés libres

Bicouches de graphene tournées

Hétérodéformations

Microscopie à effet tunnel

Twisted Bilayers of Graphene

Heterostrain

Scanning tunneling microscopy

Résumé

Superposer deux couches de graphène l’une sur l’autre avec une rotation donne lieu à la formation d’un moiré. Ce moiré conserve la dispersion linéaire des porteurs de charge mais leur vitesse de Fermi est renormalisée. Celle-ci s’annule même pour un angle dit magique, donnant lieu à un nouveau type de localisation des électrons, induite par le moiré. Cette dernière donne lieu à la formation de phases fortement corrélées telles que la phase supraconductrice découverte récemment et qui a soulevé un grand intérêt dans la communauté de la matière condensée.Dans cette thèse, on s’intéresse à l’effet de l’empilement relatif entre les couches sur les propriétés électroniques du système.En utilisant des données de microscopie et spectroscopie à effet tunnel, on montre que les déformations relatives entre les couches, nommées hétérodéformations, contrôlent la physique des bicouches de graphène tournées d’un angle proche de l’angle magique. L’arrangement exact entre les couches, comprenant les hétérodéformations, est suffisant pour expliquer la variabilité des proprétés électroniques observées expérimentalement d’un échantillon à l’autre.A plus petit angles encore, il est nécessaire de prendre en compte les déformations locales liées à la relaxation du système à l’échelle atomique. On s’intéresse à un nouveau type moiré dans les bicouches de graphène relaxées, induit par les hétérodéformations biaxiales et dans lequel se développe un mode de relaxation particulier que l’on nomme tourbillon.Enfin, dans le but d’utiliser les déformations comme une sonde, on présente la fabrication et les tests d’une cellule de déformation compatible avec un STM qui opère à température ambiante ou cryogénique. Un tel appareil peut être utilisé sur toute une variété de matériaux, dont les bicouches de graphène tournées.

Stacking two layers of graphene on top of each other with a twist gives rise to a moiré pattern. The latter does not affect the linear dispersion of the charge carrier, but renormalises their Fermi velocity. The latter even cancels for an so called magic angle, triggering a new type of electron localisation which is induced by the moiré. This localisation gives rise to strongly correlated phases, such as the recently discovered superconducting phase that created intense interest in the condensed matter community.In this thesis, we investigate the effect of the relative stacking between the layers on the electronic properties of the system. By using Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy data from the literature we show that the relative strain between the layers, so called heterostrain, controls the physics of twisted bilayers of graphene near the superconducting twist angle regime. The exact stacking arrangement including heterostrain is enough to explain the sample to sample variability that has been observed in recent experiments.At lower angles, in addition to the exact stacking arrangement, local deformations related to relaxation processes of the system on the atomic scale must be taken into account as well. We investigate a new type of moiré induced by biaxial heterodeformations, in which occurs a peculiar relaxation mode that we call a swirl relaxation pattern.Last, aiming at using strain as a tool, we show the building and testing of a strain cell compatible with an Scanning Tunnaling Microscope that operates at room and cryogenic temperatures. Such a device can be used on a variety of materials in addition to twisted graphene layers.