Institut Rayonnement MatIère de Saclay / IRAMIS - Saclay

Institut Rayonnement MatIère de Saclay / IRAMIS - Saclay
Structure électronique de matériaux 2D
Spécialité Physique de la matière condensée
Candidature avant le 30-01-2016
Niveau d'étude Bac+5
Durée 5 mois
Formation Master 2
Poursuite possible en thèse oui
Unité d'accueil IRAMIS/SPEC/LENSIS
Contact BARRETT Nick
+33 1 69 08 32 72
[email protected]
Résumé
L’étudiant utilisera un microscope à émission des photoélectrons à l’état de l’art, le MesoXcope, pour effectuer
l’imagerie systématique d’une variété de matériaux 2D et emploiera des procédures développées avec le logiciel Igor
Pro pour fournir une analyse de la structure électronique.
Sujet détaillé
Les matériaux 2D constituent une nouvelle classe de matériaux émergents avec une vaste gamme de propriétés
électriques et d’applications potentielles. Le plus connu est le graphène, déjà sous étude par l’industrie pour des
applications telles que les membranes, les composites, les capteurs, les transistors, les films transparent conducteurs
et les super-capacitances. [1]
D’autres matériaux suscitent aussi une attention croissante grâce à leurs propriétés uniques. Les dichalcogenures
lamellaires tels que le MoS2 ont une bande interdite directe à cause du confinement quantique et ainsi des
applications potentielles dans l’optoélectronique en exploitant la génération efficace de paires électron-trou. [2]
Les oxydes fortement corrélés à base de métaux de transition, comme les nickelates de terres rares, constituent un
autre groupe important des matériaux 2D. L’ordre de spin caractéristique up-up-down-down dans la direction [111]
rend le LaNiO3 demi-métallique avec la dispersion linéaire caractéristique des cônes de Dirac, similaire au graphène.
[3] De tels oxydes sont particulièrement intéressants grâce aux bandes polarisées en spin et à la possibilité de
croissance en épitaxie sur d’autres substrats oxydes.
La structure électronique bidimensionnelle peut être mesurée avec la spectroscopie des photoélectrons résolue en
angle. Néanmoins, l’intégration de ces matériaux nécessite la caractérisation de leur structure électronique à une
échelle proche de celle des dispositifs réels. Il apparaît donc nécessaire de combiner les hautes résolutions
spectroscopique et spatiale. La microscopie à émission des photoélectrons (PEEM) apporte précisément une telle
capacité.
Les régions microscopique de la surface d’un échantillon peuvent être choisies et imagées dans l’espace réel et
réciproque avec une résolution spectroscopique très élevée.
L’étudiant utilisera un PEEM à l’état de l’art, le MesoXcope, pour effectuer l’imagerie systématique d’une variété de
matériaux 2D et emploiera des procédures développées avec le logiciel Igor Pro pour fournir une analyse de la
structure électronique. Le sujet nécessite une bonne base en physique de l’état condensé et un goût pour le travail en
équipe.
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[1] Science and technology roadmap for graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid systems,
European Graphene Flagship, 2014
[2] Lopez-Sanchez et al. Nature Nanotech 8, 497 (2013)
[3] Yang et al., Phys. Rev. B 84, 201104 (2011)
Mots clés
structure électronique, surface, graphene, oxydes, PEEM
Compétences
microscopie à émission des photoélectrons (PEEM)
Logiciels
Igor Pro, ImageJ
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Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
Electronic band structure of 2D materials
Summary
The student will use a state of the art photoelectron emission microscope called the MesoXcope to carry out
systematic imaging of a selection of 2D materials and apply in-house procedures developed using Igor Pro software to
provide full analysis of the electronic structure.
Full description
Two dimensional materials are a fast-emerging class of new materials with a wide range of electrical properties and
potential applications. The most well-known is graphene, already being investigated by industry for a large range of
applications such as membranes, composites, sensors, transistors, Li-ion batteries, transparent conductive films and
supercapacitors [1].
Other materials are also gaining increasing attention because of their unique properties. Layered dichalcogenides
such as MoS2 have a direct bandgap due to quantum confinement and thus potential applications in optoelectronics
exploiting efficient electron-hole pair generation. (2]
Another important group of 2D materials are strongly correlated transition metal oxides such as rare earth nickelates.
The characteristic up-up-down-down spin ordering along the direction [111] in LaNiO3 gives rise to a Dirac semimetal
with the characteristic linear dispersion similar to graphene. [3] Such 2D oxides are of particular interest because of
the spin polarized bands suitable for spintronics and the possibility of epitaxial growth on other oxide substrates.
2D electronic structure can be measured using angle-resolved photoelectron spectroscopy. However, integration of
such 2D materials requires characterization of their electronic structure on or near to the scale of actual devices. It is
therefore necessary to combine high spectroscopic and spatial resolution. Photoelectron emission microscopy (PEEM)
provides just such a capability. Microscopic areas of a sample surface can be selected and imaged in both direct and
reciprocal space with high spectroscopic resolution.
The student will use a state of the art PEEM called the MesoXcope to carry out systematic imaging of a selection of 2D
materials and apply in-house procedures developed using Igor Pro software to provide full analysis of the electronic
structure. The subject requires a good grounding in solid state physics and a desire for experimental teamwork.
[1] Science and technology roadmap for graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid systems,
European Graphene Flagship, 2014
[2] Lopez-Sanchez et al. Nature Nanotech 8, 497 (2013)
[3] Yang et al., Phys. Rev. B 84, 201104 (2011)
Keywords
electronic structure, surfaces, graphene, oxides, PEEM
Skills
Photoelectron emission microscopy (PEEM)
Softwares
Igor Pro, ImageJ
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