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2.3 Pr´eparation d’´echantillons d’´epaisseur nanom´etrique

2.3.4 Pr´esentation des ´echantillons ´etudi´es

Cette derni`ere partie pr´esente les diff´erents mat´eriaux ´etudi´es et les collaborations ´etablies

au niveau national et international au cours de cette th`ese. Les principales sources et les

carac-t´eristiques de chaque ´echantillon ´etudi´e seront bri`evement pr´esent´ees dans un premier temps.

Nous citerons ensuite les diff´erents laboratoires impliqu´es dans le projet et en particulier dans la

r´ealisation des films minces.

2.3.4.1 Des sources de diff´erentes origines

NIMS. C’est l’´echantillon hBN de r´ef´erence actuellement, synth´etis´e par un proc´ed´e haute

pression-haute temp´erature (HPHT) [57]. La taille du cristal 3D ”brut” est d’environ 2 mm par

2 mm de large, son ´epaisseur est de l’ordre de 1 mm. Il est polycristallin et constitu´e de grains

relativement larges (au mieux 500 µm - 1 mm). L’´etude d´etaill´ee de la structure et des

propri´e-t´es optiques de ce cristal de r´ef´erence sera expos´ee dans le Chapitre 3. En plus des lames FIB

d´ecrites pr´ec´edemment en 2.3.1, j’ai pu analyser une large palette de cristaux minces exfoli´es

sur des supports diff´erents. Des cristaux 2D de la source HPHT ont ´et´e obtenus sur des

sub-strats SiO

2

/Si standards et sur des substrats SiO

2

/Si grav´es `a travers diff´erentes collaborations.

Plusieurs m´ethodes de clivage ont ´et´e employ´ees. L’exfoliation a ´et´e r´ealis´ee soit `a l’aide d’un

ruban adh´esif adapt´e, soit `a l’aide d’un polym`ere : le PDMS. Une troisi`eme voie observ´ee dans

la litt´erature [122] a ´et´e utilis´ee, elle se d´eroule en deux ´etapes. Une fois exfoli´es sur substrat, les

cristaux 2D les plus int´eressants (´epaisseur, homog´en´eit´e, d´efauts. . . ) sont rep´er´es puis transf´er´es

`

a nouveau vers une zone choisie. Le transfert est suivi et contrˆol´e au microscope optiquevia une

platine (x, y, z) microm´etrique (pour les d´etails de la proc´edure voir la th`ese de A. Betz [131]).

La couche de SiO

2

est de 90 ou 300 nm. J’ai aussi pu ´etudier des cristaux exfoli´es sur un support

en silicium ce qui m’a permis d’observer les effets de substrat sur les propri´et´es optiques du hBN

(Chapitre 4).

LMI.Les cristaux hBN du LMI sont obtenus par c´eramisation d’un pr´ecurseur polym`ere `a

tr`es haute temp´erature selon la technique PDCs(Polymer Derived Ceramics)[60]. Pour am´eliorer

la cristallinit´e de l’´echantillon, il est appliqu´e une deuxi`eme phase de traitement dite SPS (Spark

Plasma Sintering) o`u la poudre subit un frittage `a haute temp´erature sous haute pression [62].

J’ai ´etudi´e les propri´et´es des cristaux avant traitement SPS (poudre de cristallites typiquement

de 1-10 µm de diam`etre) et apr`es (pastille de quelques millim`etres de diam`etre environ). J’ai

aussi analys´e des cristaux minces exfoli´es soit m´ecaniquement sur substrat SiO

2

/Si, soit exfoli´es

en solution puis d´epos´es sur grille de MET (Chapitre 4 et 5).

Saint-Gobain. La soci´et´e Saint-Gobain Ceramics Material commercialise des poudres de

hBN synth´etis´ees par voie chimique. Au cours des th`eses pr´ec´edentes, notre ´equipe s’est procur´ee

un ´echantillon de la poudreTr`esBNr - PUHP1108, la plus pure commercialis´ee. Elle est

consti-tu´ee de petites cristallites de plusieurs dizaines de microns de large et de quelques centaines de

nanom`etres en ´epaisseur. Les travaux de caract´erisations ont ´et´e r´ealis´es sur des cristaux de faible

´epaisseur obtenus par exfoliation m´ecanique d´epos´es sur un substrat SiO

2

(300 nm)/Si (Chapitre

4). Un ´echantillon de poudre exfoli´ee en solution puis report´e sur quartz suprasil a ´et´e analys´e

en absorption UV.

CHAPITRE 2. ASPECTS EXP ´ERIMENTAUX

fournit une large gamme de mat´eriaux 2D. La synth`ese du hBN est effectu´ee en solution par

r´eaction de B

2

O

3

/B(OH)

3

avec l’ammoniac (NH

3

). Les cristaux que nous avons ´etudi´es sont de

taille l´eg`erement inf´erieure `a ceux de la source du NIMS. Ils ont ´egalement ´et´e caract´eris´es apr`es

exfoliation m´ecanique sur substrat SiO

2

(90 nm)/Si.

Films CVD.J’ai effectu´e, au d´ebut de ma th`ese, plusieurs tests de caract´erisation sur deux

´echantillons CVD commercialis´es par la soci´et´e ”Graphene SuperMarket” : un film monoatomique

et un film hBN ´epais (plusieurs nanom`etres) sur substrat de cuivre. Ils ont ´et´e ´etudi´es avant et

apr`es transfert sur grille de MET.

Les films synth´etis´es au LEM en LPCVD (A. Andrieux-Ledier, N. Dorval et H. Pr´evost) sur

des substrats de cuivre et de nickel ont ´et´e caract´eris´es tout au long de ma th`ese. Ils ont ´et´e

analys´es sur leur substrat de croissance mais aussi apr`es transfert sur grille de microscopie et sur

substrat SiO

2

(300nm)/Si.

Trois autres sources de cristaux 2D hBN (compos´es de 1 `a 4-5 couches atomiques) proviennent

de collaborations ext´erieures et ont ´et´e synth´etis´ees par : UHV-CVD sur Rhodium [132], CVD

sur Fer [77] et CVD sur Platine [76].

Dans la majorit´e des cas, les ´echantillons CVD n’ont globalement pas donn´e de r´esultat

ex-ploitable en luminescence. L’´etude de ces films ne sera pas abord´ee dans le manuscrit.

BN rhombo´edrique. Les cristaux de rBN sont synth´etis´es par CVD sur un substrat de

SiC `a partir des pr´ecurseurs triethyl bore (TEB) et ammoniac (NH

3

) [133]. Les cristaux de

rBN se d´eveloppent pendant l’´elaboration dans une ”matrice” de BN turbostratique (amorphe,

empilement al´eatoire des plans) dont l’´epaisseur est d’un micron environ. Ces cristaux ont une

forme triangulaire et sont de petite dimension (environ 200 nm de cˆot´e). Leur ´epaisseur est de

l’ordre de la centaine de nanom`etres. Cette source a pu ˆetre analys´ee sur le substrat de croissance

mais ´egalement sur une grille de microscopie apr`es un transfert direct. Cette ´etude fera l’objet

du Chapitre 5.

2.3.4.2 Collaborations ext´erieures

Pour acc´eder `a cette large gamme d’´echantillons, notre groupe a pu compter sur de

nom-breuses collaborations au niveau national comme international. Certaines connexions s’´etaient

d´ej`a ´etablies avec certains laboratoires auparavant. D’autres se sont mises en place par diverses

circonstances notamment au sein de projets de recherche communs comme nous allons le

pr´esen-ter dans ce qui suit.

Le Laboratoire Pierre Aigrain (LPA - Paris) est partenaire du GEMaC et du LEM

dans le cadre du projet ANR ”GoBN”. L’activit´e de l’´equipe de B. Pla¸cais est centr´ee sur la

fabrication de composants ´electroniques `a partir d’h´et´erostructures 2D. Par exemple, de type

BN/graph`ene/BN pour r´ealiser `a terme des transistors `a effet de champ. Le laboratoire poss`ede

un savoir-faire dans la r´ealisation de dispositifs par exfoliation et transfert m´ecanique de films

minces. L’´echantillon exfoli´e de la poudre Saint-Gobain a ´et´e pr´epar´e par A. C. Betz (doctorant),

les cristaux de HQ graphene par Q. Wilmart (doctorant) et ceux extraits de la source NIMS par

M. Boukhicha (post-doctorant).

Le Laboratoire Multimat´eriaux et Interfaces (LMI - Lyon) est partenaire du

la pr´eparation par voie chimique du BN sous formes vari´ees (nanotubes, fibres, films, mousses,

feuillets 2D...). Les ´equipes de B. Toury et C. Journet ont ax´e leur recherche vers la synth`ese

de pr´ecurseurs BN sp´ecifiques utilis´es ensuite lors de la synth`ese par voie PDCs. Les diff´erents

´echantillons analys´es ont ´et´e r´ealis´es par S. Linas (post-doctorant) et F. Gombault (doctorant).

L’Universit´e de Manchester (Royaume-Uni) est partenaire au sein du programme de

recherche europ´een Flagship Graphene. L’´etude des cristaux minces (Chapitre 4) a ´et´e r´ealis´ee

en partie sur des ´echantillons exfoli´es sur substrat SiO

2

(90 nm)/Si pr´epar´es dans l’´equipe de

F. Withers et K. Novoselov. Ce groupe d´etient un savoir-faire reconnu pour la conception

d’h´e-t´erostructures et donc l’exfoliation de cristaux 2D. C’est un des ´echantillons sur lequel j’ai pu

rep´erer le plus de zones tr`es minces (de 1 `a 5 feuillets atomiques) et de plusieurs microns de large.

L’Universit´e de Link¨oping (Su`ede). L’´equipe de A. Henry d´eveloppe depuis plusieurs

ann´ees une m´ethode de synth`ese de films de BN sp

2

. Une des techniques qu’ils ont mis au point

permet de contrˆoler la phase du BN qui va croˆıtre en s´electionnant un substrat sp´ecifique (Al

2

O

3

pour hBN et SiC pour rBN) [81]. Les ´echantillons que l’on a examin´es ont ´et´e pr´epar´es dans le

cadre de la th`ese de M. Chubarov.

CHAP

ITRE

2.

ASP

E

CTS

EXP

´E

RIM

ENT

A

UX

Tableau2.1 – R´ecapitulatif des ´echantillons ´etudi´es au cours de cette th`ese.

´

Echantillon source Films minces (1L→ 200L)

Provenance Synth`ese Exp. Pr´eparation Suspendus Sur substrat Exp.

NIMS,Japon HPHT l s

Lames FIB

(1)

Grille MET - l n u

Exf. m´ecanique Grille MET - l n u

Exf. m´ecanique SiO

2

(300nm)/Si grav´e

(2)

- l

Exf. m´ecanique - SiO

2

(90 nm)/Si

(2)(3)

l s

Exf. m´ecanique - Si

(4)

l

LMI,France PDCs l s Exf. chimique Grille MET

(5)

- l n u

Exf. m´ecanique - SiO

2

/Si

(5)

l

Saint-Gobain

l s Exf. m´ecanique - SiO

2

(90nm)/Si

(2)

l s

Exf. chimique - Quartz suprasil H

HQ graphene

l s Exf. m´ecanique - SiO

2

(300nm)/Si

(2)

l s

LEM,France

CVD

Transfert Grille MET SiO

2

(300nm)/Si l s n u

ETH Zurich,Suisse - - Rh(111) l s

U. Sungkyunkwan,Cor´ee Transfert Grille MET - l

U. Cambridge,R.-U. Transfert Grille MET - l

Graphene SuperMarket

l s Transfert Grille MET - n

Phase rhombo´edrique - rBN

U. Linkoping,Su`ede CVD - - 6H-SiC l

Report Grille MET - n

Source commerciale.

Collaborations:

(1)

IEMN (France),

(2)

LPA (France),

(3)

U. Manchester (R.-U.),

(4)

U. Deakin (Australie),

(5)

LMI (France).

Caract´erisations:lCL -sRaman -nMET -uEELS -HAbsorption UV.

Dans ce chapitre, nous avons introduit les principales techniques de caract´erisation utilis´ees

durant la th`ese.

La microscopie ´electronique permet d’´etudier diff´erents processus survenus au cours de

l’in-teraction ´electron-mati`ere. Elle offre plusieurs modes d’analyse comme l’imagerie de surface ou

haute r´esolution, la diffraction ´electronique ou encore la spectroscopie de pertes d’´energie (EELS).

Concernant les caract´erisations optiques, la spectroscopie Raman permet d’acc´eder aux

pro-pri´et´es vibrationnelles des cristaux de hBN. Au cours de la th`ese, le dispositif a ´et´e ´equip´e d’un

module de d´etection pour les basses fr´equences (10-50 cm

−1

) qui sera utilis´e en particulier pour

l’´etude du mode de vibration interplan du hBN. Pour l’analyse en cathodoluminescence, le

sys-t`eme de d´etection optique a ´et´e calibr´e dans l’UV afin de pouvoir analyser les intensit´es absolues

d’´emission CL. Ce d´eveloppement instrumental sera mis `a profit pour ´evaluer le rendement de

luminescence des diff´erents cristaux de hBN, massifs (Chapitre 3) ou exfoli´es (Chapitre 4).

Les diverses sources ´etudi´ees ont ´et´e obtenues principalement en collaboration avec d’autres

groupes de recherche mettant `a notre disposition une large gamme d’´echantillons d’origine et

d’´epaisseur vari´ees.

3

Propri´et´es des cristaux 3D de hBN

Ce chapitre est consacr´e aux propri´et´es des cristaux massifs de hBN. On entend par ”massif”

les propri´et´es du cristal tridimensionnel (3D) loin des interfaces.

Nous allons d’abord nous int´eresser au cristal hBN de r´ef´erence, obtenu par croissance

haute-pression haute-temp´erature au Japon. Cette m´ethode a permis de fabriquer les plus gros

mono-cristaux de hBN `a ce jour (environ 0.5 mm) avec une puret´e chimique et une qualit´e cristalline

in´egal´ee. Ce mat´eriau est devenu presque ”incontournable” dans le domaine des 2D. Il est de

loin la source la plus utilis´ee dans la fabrication d’h´et´erostructures de van der Waals avec le

graph`ene ou d’autres cristaux bidimensionnels. Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi, les

cher-cheurs du NIMS qui fournissent ce mat´eriau `a la communaut´e, ont cosign´e environ 290 articles

depuis 2004, ann´ee de leur communication `a Nature Materials (65 sur la seule ann´ee 2015).

N´eanmoins les propri´et´es fondamentales de ce mat´eriau restent encore mal connues `a l’heure

actuelle. La premi`ere partie de ce chapitre pr´esente donc une ´etude approfondie des propri´et´es

structurales et optiques du cristal de hBN qui fait r´ef´erence aujourd’hui.

La seconde partie dresse le bilan d’une ´etude comparative men´ee avec trois autres sources

diff´erentes : deux sont commerciales et la derni`ere est issue du laboratoire LMI de Lyon, dans le

cadre du projet ANR GoBN.

Sommaire

3.1 Le cristal de r´ef´erence. . . . 56

3.1.1 Analyses structurales. . . . 56

3.1.1.1 Un r´eseau hBN (presque) parfait . . . . 56

3.1.1.2 Identification des d´efauts structuraux . . . . 61

3.1.2 Propri´et´es de luminescence . . . . 64

3.1.2.1 Recombinaisons excitoniquesintrins`eques . . . . 65

3.1.2.2 Autres recombinaisons de bord de bande . . . . 66

3.1.2.3 D´efauts profonds et centres color´es. . . . 67

3.1.2.4 Distribution spatiale des d´efauts . . . . 68

3.1.3 Rendement/efficacit´e de luminescence . . . . 69

3.1.3.1 Estimation en CL : m´ethode et aspects exp´erimentaux . . . . 70

3.1.3.2 Intensit´e de luminescence en fonction de la puissance . . . . . 73

3.1.3.3 Rendement de luminescence en fonction de la profondeur

d’ex-citation . . . . 74

3.2 Comparaison avec d’autres sources de hBN. . . . 77

3.2.1 Propri´et´es Raman . . . . 77

3.2.2 Propri´et´es de luminescence . . . . 78

3.2.2.1 D´efauts profonds et centres color´es. . . . 78

CHAPITRE 3. PROPRI ´ET ´ES DES CRISTAUX 3D DE hBN

3.2.2.2 Recombinaisons excitoniquesintrins`eques . . . . 80

3.1 Le cristal de r´ef´erence