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Voir la structure électronique d’un empilement de N couches de graphène par spectroscopie magneto-Raman

Les propriétés électroniques d’une bicouche de graphène diffèrent drastiquement de celles d’une monocouche. Ces deux systèmes (quasi)bidimensionnels peuvent être considérés comme des briques élémentaires, à partir desquelles il est possible de décrire l’évolution de la structure électronique d’un empilement ordonné de N couches de graphène, jusqu’à la limite du matériau massif, le graphite. L’étude détaillée des membres cette famille de systèmes électroniques est susceptible de mettre en évidence de nouveaux régimes de transport quantique, exploitables dans de futurs dispositifs nano-électroniques. Des chercheurs de l’Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg et du Laboratoire des Champs Magnétiques Intenses de Grenoble viennent de mesurer pour la première fois l’évolution de la structure électronique de couches de graphène, de la mono- à la pentacouche, à l’aide de mesures de spectroscopie Raman en présence d’un champ magnétique transverse. Ces travaux ont fait l’objet d’une publication dans la revue Nano Letters.

Figure 1 (gauche) Image optique d’un échantillon de graphène montrant des régions suspendues. Le nombre de couches est indiqué. (centre) Niveaux de Landau d’une tricouche de graphène. (droite) Spectres magnéto-Raman, mesurés au centre de la tricouche suspendue encadrée sur l’image à gauche, en fonction du champ magnétique. Les traces qui apparaissent sur cette carte correspondent aux transitions inter-niveaux de Landau.

En pratique, les chercheurs ont déposé des couches de graphène de très haute qualité cristalline sur des substrats dans lesquels des trous micrométriques ont été préalablement gravés. Dans ces conditions, il est possible d’observer des couches de graphène suspendues, qui ne sont pas perturbées par le substrat et dont les propriétés intrinsèques peuvent être sondées. En présence d’un champ magnétique transverse, les états électroniques d’un échantillon de N couches de graphène se transforment en états discrets fortement dégénérés : les niveaux de Landau, dont l’évolution en fonction du champ magnétique est une empreinte directe du nombre de couches. Le spectre de diffusion inélastique (ou spectre de Raman) des échantillons a été mesuré à basse température, en présence d’un champ magnétique intense (allant jusqu’à 29 Teslas). En plus des pics Raman vibrationnels bien connus, des pics plus larges, dont la position dépend fortement du champ magnétique, apparaissent. Ceux-ci sont attribués à un processus de diffusion Raman électronique, impliquant des transitions entre niveaux de Landau. Une représentation du spectre de ces excitations électroniques en fonction du champ magnétique permet alors de visualiser la structure caractéristique des niveaux de Landau d’un échantillon de N couches de graphène, puis d’en déduire la dispersion électronique en champ nul et, en particulier, la vitesse de Fermi. En raison de l’écrantage diélectrique, cette vitesse décroît lorsque N augmente, pour converger vers la limite mesurée dans le graphite massif. Le phénomène de diffusion Raman électronique, observé ici pour la première fois dans des couches de graphène, offre de nombreuses perspectives, notamment la possibilité d’étudier l’influence des interactions à plusieurs corps sur les excitations électroniques. Enfin, la spectroscopie magneto-Raman permet de sonder les excitations électroniques, sans contact, avec une résolution latérale de l’ordre du micromètre. Cette approche pourra être généralisée à l’étude d’autres cristaux bidimensionnels, tels que le silicène, le phosphorène et la vaste famille des chalcogénures de métaux de transition.

Voir aussi l’actualité vulgarisée de l’Institut de Physique : "Quelle est la structure électronique d’un empilement de feuillets de graphène ?"

 

Référence :
Probing Electronic Excitations in Mono- to Pentalayer Graphene by Micro-magneto-Raman Spectroscopy
Stéphane Berciaud, Marek Potemski, & Clément Faugeras
DOI : dx.doi.org/10.1021/nl501578m
 
Contact chercheur :
Stéphane Berciaud (stephane.berciaud@ipcms.unistra.fr), maître de conférences
Institut de physique et chimie de matériaux de Strasbourg (IPCMS, UMR 7504)
Clément Faugeras (clement.faugeras@lncmi.cnrs.fr), chargé de recherches CNRS
Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses (LNCMI-G)