Soutenance de thèse de Zouhour BEN JABRA

Le sujet de cette thèse concerne l’étude de la croissance et des propriétés du silicène (Si-ene) épitaxié sur du graphène (Gr) sur 6H-SiC(0001) avec pour but de former du Si-ene free-standing (FS) sur un substrat isolant ou semiconducteur. Le choix s’est porté sur le graphène qui est un matériau inerte ne possédant pas de liaisons pendantes. Dans une première partie du travail je me suis attachée à décrire de façon la plus précise et la plus systématique possible le substrat de Gr sur SiC en fonction des conditions expérimentales d’élaboration par CVD. Le paramètre expérimental clé de la croissance qui a été varié, est la proportion d’hydrogène (H2) dans le gaz porteur (H2/Ar), sachant que les autres paramètres expérimentaux (température et pression) avaient beaucoup moins d’influence sur le Gr obtenu. J’ai montré que lorsque la proportion de H2 est faible (H2/Ar < 10%), il est possible d’obtenir du Gr pleine plaque, homogène d’une épaisseur monoatomique, sur couche tampon (BL) sur SiC. Les analyses STM et LEED montrent la superposition de la maille du Gr (0.245nm) et de la reconstruction de la BL (1.9nm), représentatif du Gr épitaxié (obtenu par sublimation à partir de SiC). Les analyses XPS permettent de quantifier la présence d’une seule monocouche de Gr(6x6). Lorsque la proportion de H2 est élevée (H2/Ar > 40%), la couche de Gr obtenue est totalement hydrogénée (H-Gr) sur toute la surface de l’échantillon (absence totale de la reconstruction 6x6 à la fois dans les images STM et en LEED). Ceci est un résultat nouveau, car aucun procédé d’intercalation d’hydrogène n’avait permis jusqu’à présent d’hydrogéner totalement les échantillons de (6x6)Gr épitaxié sur BL. Pour des proportions intermédiaires de H2/Ar, la coexistence de ces deux structures de surface ((6x6)Gr et H-Gr) est observée avec une alternance de terrasses ne possédant qu’une seule structure. L’analyse des différentes caractérisations met en évidence un mécanisme de croissance qui n’avait jamais été rapporté jusqu’à présent. En effet, dans nos conditions expérimentales de dépôt, la surface est totalement passivée par H2 à la fin de l’étape de nettoyage thermique. La croissance débute donc sur une surface recouverte d’H2. En fonction de la proportion de H2 dans le mélange gazeux, soit la surface du SiC reste passivée pendant toute la croissance du Gr et on obtient du H-Gr, soit le H2 désorbe partiellement, ou totalement et on obtient soit la coexistence des deux structures soit du (6x6)Gr pleine plaque. Dans une deuxième partie du travail j’ai étudié la croissance par MBE de Si-ene sur (6x6)Gr. J’ai démontré que dans des conditions de propreté drastiques (absence totale de défauts à la surface du Gr et de contaminants dans la chambre MBE), il est possible de former des flaques de Si-ene de tailles latérales allant jusqu’à plusieurs centaines de nms, pour des épaisseurs de dépôt très faibles (≤ 0.5MC). Dans ces conditions, nous observons la présence de zones planes d’une épaisseur moyenne de 0.2-0.3 nm, correspondant à une monocouche de Si-ene, entourées d’îlots dendritiques 3D de silicium. De plus les spectres Raman mettent en évidence un pic allant jusqu’à 563cm-1 (pour 0.5MC déposé) ce qui est la valeur la plus proche du Si-ene FS jamais obtenue. Ces démontrent clairement la formation de Si-ene quasi-FS. Lorsque l’épaisseur du dépôt augmente les flaques de Si-ene disparaissent au profit des îlots dendritiques de Si 3D dont les tailles, densités et épaisseurs augmentent avec l’épaisseur de Si déposée. En conclusion, ce travail contribue tout d’abord à une meilleure compréhension du mécanisme de croissance CVD du Gr. Il met aussi en évidence la formation de Si-ene quasi-FS sur un substrat de Gr inerte et isolant, et met définitivement fin à un débat contradictoire sur ce sujet. Les résultats contribuent à l’avancement des recherches dans le domaine de la croissance épitaxiale des matériaux 2D et constituent une base pour des études ultérieures.

The topic of this PhD thesis deals with the study of the growth and properties of silicene (Si-ene) epitaxial on graphene (Gr) on 6H-SiC(0001) with the final goal of forming free-standing (FS) Si-ene on an insulating or semiconductor substrate. Graphene which is an inert material without dangling bonds, represents an ideal substrate. In a first part of the work I have described as precisely and systematically as possible the Gr substrate on SiC depending on the experimental conditions of the chemical vapor deposition (CVD). The key experimental parameter of the growth that was varied was the proportion of hydrogen (H2) in the carrier gas (H2/Ar), since the other experimental parameters (temperature and pressure) have very low influence on the resulting Gr. I have shown that when the proportion of H2 is low (H2/Ar < 10%), we obtain on full scale of the sample, homogeneous Gr of monoatomic thickness, on buffer layer (BL) on SiC. STM and LEED analyses show the superposition of the Gr crystal lattice (0.245nm) and the BL reconstruction (1.9nm), representative of epitaxial Gr (i.e. obtained by sublimation of SiC). The presence of a single monolayer of Gr(6x6) is quantified by XPS analyses. When the proportion of H2 is high (H2/Ar > 40%), the Gr layer is totally hydrogenated (H-Gr) on the whole surface of the sample (total absence of the 6x6 reconstruction in both STM images and LEED patterns). This is a new result, since the total hydrogenation of epitaxial Gr samples on BL has never been achieved before when using the hydrogen intercalation process starting with (6x6)Gr. For intermediate proportions of H2/Ar, the coexistence of these two surface structures ((6x6)Gr and H-Gr) is observed with alternating terraces of a single structure. The analysis of the different characterizations highlights a new growth mechanism that was never reported before. Indeed, in our experimental conditions of deposition, the surface is totally passivated by H2 at the end of the thermal cleaning step. As a consequence, the Gr growth starts on a SiC surface fully covered with H2. Depending on the proportion of H2 in the gas mixture, either the SiC surface remains passivated during the whole growth process of Gr and we obtain H-Gr, or the H2 partially or totally desorbs and we obtain either the coexistence of the two structures or (6x6)Gr full scale. In a second part of the work I studied the growth by MBE of Si-ene on (6x6)Gr. I demonstrated that in extreme cleanliness conditions (total absence of defects on the Gr surface and contaminants in the MBE chamber), it is possible to form Si-ene flakes with lateral sizes up to several hundreds of nms, for very small deposition thicknesses (≤ 0.5MC). In these conditions, we observe the presence of flat areas with an average thickness of 0.2-0.3 nm, corresponding to a Si-ene monolayer, surrounded by 3D dendritic islands of silicon. The Raman spectra show a peak reaching 563cm-1 (for 0.5MC deposited) which is the ever-obtained closest value to FS Si-ene. These results clearly demonstrate the formation of quasi-FS Si-ene on (6x6)Gr. When the Si deposited thickness increases, the Si-ene flakes disappear in favor of 3D Si dendritic islands whose sizes, densities and thicknesses increase with Si deposited thickness. In conclusion, this work contributes to a better understanding of the CVD growth mechanism of Gr. It also highlights the formation of quasi-FS Si-ene on an inert and insulating Gr substrate (in extremely well controlled experimental conditions), and definitively ends a contradictory debate on this subject. It also highlights the formation of Si-ene quasi-FS on an inert and insulating Gr substrate, and definitively ends a contradictory debate on this subject.