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Un cône de Dirac observé dans le silicène

par Martrenchard-Barra Séverine - 26 mai (modifié le 29 mai)

Des équipes de l’ISMO et du Synchrotron de SOLEIL, en collaboration avec des chercheurs du Synchrotron d’ELETTRA et de l’Université Centrale de Floride, ont réussi pour la première fois la synthèse de silicène préservant ses propriétés intrinsèques, c’est à dire présentant un cône de Dirac. Ceci signifie que, comme dans le cas des photons, la vitesse des électrons ne dépend pas de l’énergie.

Des matériaux de configuration électronique sp3 comme le diamant, le silicium et le germanium peuvent former des structures 2D en configuration électronique sp2 et présenter une structure électronique analogue à celle du graphène. La première preuve expérimentale de l’existence d’une couche atomique de silicium 2D (silicène) a été obtenue sur une surface d’argent orientée (111) par des chercheurs français et américains (CNRS – ISMO (Orsay), CIMAM (Marseille) et l’Université Centrale de Floride en 2010 . Peu après, la croissance du silicène sur d’autres substrats a été décrite dans la littérature. Cependant la question de la structure électronique du silicène reste ouverte. En effet, malgré de premières études expérimentales qui ont cru observer l’existence d’un cône de Dirac dans le silicène déposé sur de l’argent, il a été montré que l’existence d’un fort couplage entre la structure électronique de silicène et celle de l’argent détruit le cône de Dirac. Dans ce cas, les résultats expérimentaux s’expliquent par une simple hybridation des états du substrat et du silicène.

Dans ce travail, les chercheurs ont déposé sous ultravide du silicium sur un cristal d’or orienté (111). La combinaison de topographies de microscopie à effet tunnel (STM), de clichés de diffraction d’électrons lents (LEED) et de spectroscopie de photoélectrons (PES) a permis d’identifier la structure atomique hexagonale de la couche de silicium. Grace aux interactions faibles entre les atomes de silicium et le substrat d’or, la structure électronique du silicène montre sans aucune ambiguïté un cône du Dirac.

L’existence de cette structure électronique particulière (cône de Dirac) du silicène ouvre des perspectives intéressantes pour l’intégration du silicène comme matériau 2D dans des dispositifs électroniques.

Image STM montrant une structure Moiré correspondant au dépôt d’une monocouche atomique de silicium sur la surface d’Au(111).

Mesures ARPES haute résolution sur le substrat d’Au(111) (a,c) et après dépôt d’une monocouche atomique de silicium (b,d). Les mesures ont été faites à 78 K avec des énergies de photons de 66 et 147 eV. La présence du cône de Dirac est observée clairement sur le silicène au point K de la zone de Brillouin avec un gap de 0.5 eV.

Compelling experimental evidence of a Dirac cone in the electronic structure of a 2D Silicon
S. Sadeddine, H. Enriquez, A. Bendounan, P. K. Das, I. Vobornik, A. Kara, A. J. Mayne, F. Sirotti, G.Dujardin et H. Oughaddou
Scientific Reports 7, 44400 (2017)