Pour la première fois, le graphène est dopé aux électrons au-delà de sa singularité de van Hove. À gauche :niveaux d'énergie modélisés du graphène avec un niveau de Fermi exemplaire (courbe blanche) au-delà de la singularité. Contexte :surface expérimentale de Fermi de graphène surdopé. Crédit :Max Planck Institute for Solid State Research / Rosenzweig et al.
Depuis plus d'une décennie, les physiciens théoriciens ont prédit que la singularité de van Hove du graphène pourrait être associée à différentes phases exotiques de la matière, dont la plus notable est la supraconductivité chirale.
Une singularité de van Hove est essentiellement un point non lisse dans la densité d'états (DOS) d'un solide cristallin. Lorsque le graphène atteint ou est proche de ce niveau d'énergie spécifique, une bande plate se développe dans sa structure électronique qui peut occuper un nombre exceptionnellement grand d'électrons. Cela conduit à de fortes interactions à plusieurs corps qui favorisent ou permettent l'existence d'états exotiques de la matière.
Jusque là, le degré exact auquel les niveaux d'énergie disponibles du graphène doivent être remplis d'électrons (c'est-à-dire, "dopé") pour que les phases individuelles se stabilisent a été très difficile à déterminer à l'aide de calculs de modèle. Identifier ou concevoir des techniques pouvant être utilisées pour doper le graphène jusqu'à ou au-delà de la singularité de van Hove pourrait finalement conduire à des observations intéressantes liées à des phases exotiques de la matière, ce qui pourrait à son tour ouvrir la voie au développement d'une nouvelle technologie à base de graphène.
Des chercheurs de l'Institut Max Planck pour la recherche sur l'état solide à Stuttgart, L'Allemagne a récemment mis au point une approche pour surdoser le graphène au-delà de la singularité de van Hove. Leur méthode, présenté dans un article publié dans Lettres d'examen physique , combine deux techniques différentes, à savoir intercalation d'ytterbium et adsorption de potassium.
"Une densité électronique accordable expérimentalement au voisinage de la singularité de van Hove serait hautement souhaitable, " Philippe Rosenzweig, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Des expériences antérieures ont démontré que le graphène peut en effet être stabilisé (« épinglé ») au niveau de van Hove et que les porteurs de charge peuvent ensuite être retirés de ce scénario d'épinglage. La question que nous avons posée, cependant, Est-ce que nous pouvons également transférer plus d'électrons sur la couche de graphène, surmonter l'épinglage de van Hove et l'overdose au-delà de la singularité ? En dehors de la pure preuve de principe, cela ouvrirait un terrain de jeu inexploré de phases corrélées avec des promesses passionnantes."
Doper du graphène à la singularité de van Hove est une tâche difficile en soi, car il nécessite le transfert de plus de 100 000 milliards (10 14 ) électrons par cm 2 sur la couche de graphène. Le dopage du graphène peut être réalisé en déposant d'autres espèces atomiques dessus, qui lui donnent une partie de leurs électrons.
Une méthode alternative pour le dopage du graphène, connu sous le nom d'intercalation, implique la prise en sandwich d'agents dopants entre le graphène et son substrat de support. Durant la dernière décennie, cette technique s'est avérée très utile pour régler les propriétés électroniques du matériau.
Par dépôt de potassium (K) - un donneur d'électrons - sur du graphène pré-intercalé avec de l'Ytterbium (Yb), le système est finalement forcé au-delà de sa singularité de van Hove. Lors du surdopage, les contours de la surface géante de Fermi se sont séparés les uns des autres. Crédit :Max Planck Institute for Solid State Research / Rosenzweig et al.
Typiquement, même lorsque les approches de dépôt et d'intercalation sont combinées, la densité de porteurs de graphène est difficile à augmenter jusqu'à une valeur arbitraire. Ceci est principalement dû au fait que le transfert de charge finira par saturer, l'empêchant d'être dopé au-dessus d'un certain niveau.
"Récemment, nous avons découvert que l'intercalation de certaines terres rares, en raison de leur grande efficacité de dopage, suffit déjà à épingler le graphène à sa singularité de van Hove, " dit Rosenzweig. " Dans ce cas, la surface du graphène reste libre d'occuper des dopants supplémentaires. En partant du scénario de van Hove du graphène intercalé à l'ytterbium, en déposant dessus des atomes de potassium, nous avons ainsi pu augmenter la densité de porteurs d'un autre facteur de 1,5, bien au-delà du niveau de la singularité."
Dans leurs expériences, les chercheurs ont utilisé des méthodes d'intercalation d'ytterbium et d'adsorption de potassium. Cette approche leur a permis de doper une couche de graphène placée sur un substrat de carbure de silicium semi-conducteur (SiC) au-delà de la singularité de van Hove, atteindre une densité de porteurs de charge de 5,5 x 10 14 cm -2 .
« Vous pouvez comparer la stratégie que nous avons utilisée à une situation de la vie quotidienne où un objet encombrant doit être transporté dans les escaliers jusqu'au dernier étage (dans notre cas, au-delà de la singularité de van Hove), " expliqua Rosenzweig. " Cela ne pourrait devenir possible qu'en poussant simultanément par le bas (c'est-à-dire, intercalation d'ytterbium) et en tirant par le haut (c'est-à-dire, adsorption de potassium)."
L'étude menée par Rosenzweig et ses collègues prouve que le dopage du graphène au-delà de sa singularité de van Hove dans un cadre expérimental est en fait possible. Les chercheurs ont examiné leur système de graphène à l'aide d'une technique appelée spectroscopie photoélectronique à résolution angulaire, aux essais réalisés au synchrotron BESSY II, Helmholtz-Zentrum Berlin. Cette méthode permet de visualiser directement la structure des bandes d'énergie du graphène et son évolution par dopage.
"La faisabilité du surdopage était auparavant loin d'être évidente, comme le système est d'abord épinglé au niveau de singularité occupant un grand nombre de porteurs de charge, " dit Rosenzweig. " Pratiquement, en poussant le dopage du graphène à de nouveaux niveaux, notre étude ouvre également un paysage nouveau et inexploré dans le diagramme de phase de ce prototype de matériau bidimensionnel. En tant que tel, nous espérons que notre travail contribuera à renforcer la recherche d'états fondamentaux corrélés dans le graphène monocouche, ce qui serait certainement intéressant dans divers sous-domaines de la physique."
À l'avenir, les découvertes recueillies par Rosenzweig et ses collègues pourraient ouvrir de nouvelles possibilités passionnantes pour l'étude des états exotiques de la matière dans le graphène dopé au-delà de sa singularité de van Hove. De plus, cette étude récente pourrait améliorer la compréhension actuelle des fortes interactions non locales à plusieurs corps dans le graphène dopé van Hove qui se sont avérées avoir des effets de déformation substantiels sur ses niveaux d'énergie. Les chercheurs ont démontré que de tels effets sont toujours présents dans le régime surdopé et qu'ils le deviennent de plus en plus à mesure que le graphène se rapproche de la singularité de van Hove. Les données qu'ils ont recueillies pourraient donc également inspirer le développement de nouveaux modèles théoriques allant au-delà de la théorie conventionnelle des liquides de Fermi.
"Maintenant que nous pouvons ajuster régulièrement le niveau de dopage dans des expériences autour du niveau de van Hove, nous recherchons l'une des différentes phases exotiques prédites par la théorie, " a conclu Rosenzweig. " Pour viser les étoiles, réaliser une supraconductivité non conventionnelle dans une monocouche épitaxiale de graphène serait bien sûr une découverte révolutionnaire qui pourrait un jour déboucher sur des applications technologiques. Dans tous les cas, des temps passionnants sont à venir pour le graphène dopé van-Hove."
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