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Jan 19, 2024

Une étude identifie une nouvelle technique de synthèse pour obtenir du SiC en nid d'abeille monocouche

Reportage du 13 mars 2023

Reportage du 13 mars 2023

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

Le carbure de silicium (SiC) est un composé cristallin dur de silicium et de carbone qui se produit rarement dans la nature et est généralement produit par synthèse. En plus d'être utilisé pour créer des plaques de céramique, des gilets pare-balles et d'autres produits commerciaux, le SiC est un semi-conducteur, un matériau qui a une conductivité électrique modérée, comprise entre celle des conducteurs et des isolants.

Les physiciens et les spécialistes des matériaux étudient les propriétés de ce semi-conducteur depuis des décennies. Comme d'autres matériaux, le SiC peut exister sous différentes formes physiques (c'est-à-dire allotropes), et son allotrope 2D est jusqu'à présent resté insaisissable et principalement hypothétique.

Selon les prédictions théoriques, l'allotrope 2D de ce semi-conducteur aurait une large bande interdite directe de 2,5 eV et une versabilité chimique élevée, et serait stable dans les conditions ambiantes. Jusqu'à présent, cependant, cela n'a pas été vérifié empiriquement, car les études existantes ne rapportaient que des nanoflakes désordonnés de SiC 2D.

Des chercheurs de l'Université de Lund, de l'Université de technologie de Chalmers et de l'Université de Linköping ont récemment pu synthétiser du SiC en nid d'abeille monocouche épitaxial monocristallin sur des films de carbure de métal de transition ultrafins placés sur des substrats de SiC. Leur article, publié dans Physical Review Letters, présente une technique prometteuse pour la synthèse à grande surface et ascendante de l'allotrope insaisissable du SiC.

"Nos collaborateurs sont intéressés par l'étude de films minces de carbure de métal de transition sur des substrats SiC", a déclaré Craig Polley, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, à Phys.org. "On savait déjà que le graphène pouvait être cultivé" à travers "des surcouches sur SiC, et l'espoir était de le faire et de créer une couche d'encapsulation de graphène sur les films de carbure métallique. Par conséquent, le point initial où nous nous sommes impliqués était d'étudier les propriétés de cette couche de graphène développée."

Au départ, Polley et ses collègues essayaient donc d'étudier les propriétés d'une couche d'encapsulation de graphène formée sur des films de carbure métallique. Cependant, en essayant de caractériser les propriétés de cette couche à l'aide d'une technique connue sous le nom d'ARPES (spectroscopie de photoémission résolue en angle), ils ont observé des spectres très frappants et fascinants qui ne ressemblaient pas à ceux observés dans le graphène.

"Il s'est finalement avéré qu'il n'y avait pas de graphène sur les échantillons", a déclaré Polley.

"Il a fallu beaucoup de mesures et de calculs avant de pouvoir identifier ce qu'était cette surface mystérieuse, et nous avons été agréablement surpris quand il s'est avéré qu'il s'agissait de SiC en nid d'abeille, car cela n'avait jamais été notre plan !"

Polley et ses collègues n'ont pas encore compris tous les détails du processus qui sous-tend la croissance réussie du SiC en nid d'abeille monocouche. Néanmoins, ils ont pu identifier une technique permettant sa synthèse.

Essentiellement, cette technique consiste à placer un film mince de carbure de métal de transition sur un substrat SiC. Lorsque cet empilement de matériaux est recuit à des températures suffisamment élevées, le SiC se décompose, tandis que le carbure métallique reste intact, et les atomes de Si et de C migrent vers la surface.

"Si vous recuisez suffisamment à chaud, les feuilles de Si et le C se recristallisent en graphène - et c'est une technique bien connue pour faire pousser des couches de graphène de haute qualité sur du SiC ordinaire", a expliqué Polley. "Mais pour les bonnes conditions de recuit, il s'avère que Si et C non seulement restent à la surface, mais recristallisent en SiC en nid d'abeille. Jusqu'à présent, il n'y avait aucune méthode connue pour créer du SiC en nid d'abeille monocristallin de grande surface, nous avons donc été surpris qu'il fonctionne du tout !"

Les chercheurs ont également effectué d'autres analyses pour vérifier que la surface unique qu'ils ont observée était en fait la phase 2D du SiC. Une fois qu'ils l'ont confirmé, ils ont étudié ses caractéristiques, pour valider les prédictions théoriques précédentes. Fait intéressant, ils ont découvert que dans cette phase 2D, le SiC était presque plan et stable à haute température (jusqu'à 1 200 °C dans le vide).

"Les principales contributions ici sont la découverte d'une nouvelle technique de synthèse et le travail de détective approfondi qui a permis d'identifier de manière concluante cette surface mystérieuse en tant que SiC en nid d'abeille", a déclaré Polley.

Cette étude récente de Polley et de ses collègues n'est qu'une première étape dans l'étude expérimentale de l'allotrope 2D du SiC, car des travaux supplémentaires seront nécessaires pour isoler efficacement la couche qu'ils ont observée de son substrat sous-jacent. Néanmoins, la technique de synthèse qu'ils ont découverte est une étape importante qui ouvre la voie vers cet objectif.

"L'une des choses sur lesquelles nous souhaitons en savoir plus est de savoir s'il y a quelque chose que l'on pourrait faire pour le découpler du substrat, par exemple en essayant d'intercaler d'autres espèces comme l'hydrogène entre le SiC et le TaC", a ajouté Polley. "Cette astuce fonctionne avec du graphène sur SiC, mais c'est maintenant un nouveau matériau et un territoire inexploré."

Plus d'information: CM Polley et al, Croissance ascendante du SiC en nid d'abeille monocouche, Lettres d'examen physique (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.130.076203

Informations sur la revue :Lettres d'examen physique

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