Couches 2D

2D layers

PHEMADIC a coordonné la plateforme GraphIC (Graphene Growth Characterization and Interfaces) financée par le Labex NanoSaclay en collaboration avec le LPICM, le CEA/IRAMIS et le LPN. L’objectif principal de cette action est de développer du graphène par synthèse CVD pour les fonctions de contact transparent pour les dispositifs optoélectroniques mais aussi de matériau actif pour les composants nanoélectroniques tels que les mémoires à piégeage de charge ou les transistors (figure 1). figure1

 Image optique et cartographie Raman d’une superstructure en graphène CVD  structure de bandes d’une bicouche de graphène CVD observée par Raman


Figure 1 : gauche: Image optique et cartographie Raman d’une superstructure en graphène CVD ; droite : structure de bandes d’une bicouche de graphène CVD observée par Raman.

This work is also extended to epitaxial graphene and to the study of doping by acids, metallic nanoparticles and organic molecules. We have studied epitaxial graphene in particular for the fabrication of vertical heterostructures for memory functions (figure 2). One advantage of our characterization systems relies in the nanometric spatial resolution and temperature control.

transistor FET avec un canal en graphène CVD passivé avec du fluorographène C1F1 transistor FET avec un canal en graphène CVD passivé avec du fluorographène C1F1transistor FET avec un canal en graphène CVD passivé avec du fluorographène C1F1


Figure 2 : transistor FET avec un canal en graphène CVD passivé avec du fluorographène C1F1

Adding an UPS source to the existing XPS platform has allowed us to study the evolution of the work function of graphene that was functionalized with various methods, in particular with nitrogen incorporation (figure 3).

haut : caractérisation du graphène SiC par AFM (phase) et TEM haut : caractérisation du graphène SiC par AFM (phase) et TEM
détection de l’azote par XPS, et mesure du travail de sortie par UPS pour différentes concentrations d’acide détection de l’azote par XPS, et mesure du travail de sortie par UPS pour différentes concentrations d’acidedétection de l’azote par XPS, et mesure du travail de sortie par UPS pour différentes concentrations d’acide

 

Figure 3 : Top: characterization of SiC graphene by AFM (phase) and TEM ; bottom: detection of nitrogen with XPS and work function measurement from UPS for varying acid concentrations.

In collaboration with CGU Taiwan, we have also studied the passivation through fluorogaphene and demonstrated the mobility gain thanks to such a passivation on CVD graphene FETs. This approach has been extended to multilayer graphene on SiC.

The various characterization platforms at GeePs are being utilized for the study of these materials (XPS/UPS, µ-Raman, µPL). Besides experimental systems have been adapted in order to be able to map the photocurrent under monochromatic excitation on bidimensional heterostructures (figure 4).

mesure du photocourant d’une hétérostructure graphène/InSe sur la plateforme de microscopie confocale. Collaboration avec l’IMPMC. mesure du photocourant d’une hétérostructure graphène/InSe sur la plateforme de microscopie confocale. Collaboration avec l’IMPMC.

 

 

Figure 4 : Photocurrent measurement of a graphene/InSe heterostructure on the confocal microscopy platform. Collaboration with IMPMC.

 

We have also characterized III-V quantum dot systems in order to study the vertical coupling between different superposed layers and the lateral coupling between quantum dot chains that are particularly interesting for high efficiency photovoltaic issues (figure 5).


cartographie de photoluminescence d’un empilement de 5 couches de boîtes quantiques d’InAs pour des énergies de 1.075 eV à 1.235 eV. On note l’apparition successive des différentes émissions
Figure 5 : photoluminescence cartography of a 5 layer stack of InAs quantum dots for energies from 1.075 eV to 1.235 eV. One can note the successive appearance of various emissions.

PHEMADIC is engaged in a STIC-ASIE 2D Nanotech action with Tokyo Institute of Technology (Japon), Semiconductors lab Chuang Gung University (Taiwan) and Chulalungkorn University (Thailand).

(1) Arezki, H.; Boutchich, M.; Kleider, J.-P. Raman Spectroscopy on Bi and Trilayer Flakes of Graphene, 2015
(2) Othmen, R.; Arezki, H.; Ajlani, H.; Cavanna, A.; Boutchich, M.; Oueslati, M.; Madouri, A. Direct Transfer and Raman Characterization of Twisted Graphene Bilayer. Appl. Phys. Lett. 2015, 106, 103107.
(3) Ho, K.-I.; Boutchich, M.; Su, C.-Y.; Moreddu, R.; Marianathan, E. S. R.; Montes, L.; Lai, C.-S. A Self‐Aligned High‐Mobility Graphene Transistor: Decoupling the Channel with Fluorographene to Reduce Scattering. Adv. Mater. 2015, 27, 6519–6525.
(4) Boutchich, M.; Arezki, H.; Alamarguy, D.; Ho, K.-I.; Sediri, H.; Gunes, Fethullah, F.; Alvarez, J.; Kleider, J.; Lai, C.; Ouerghi, A. Atmospheric Pressure Route to Epitaxial Nitrogen-Doped Trilayer Graphene on 4H-SiC (0001) Substrate. Appl. Phys. Lett. 2014, 105, 233111.
(5) Gunes, F.; Alamarguy, D.; Arezki, H.; Jaffre, Alexandre, A.; Alvarez, J.; Kleider, J.-P.; Boutchich, M. Nitric Acid Doping of Epitaxial Graphene on SiC (0001) Substrate, 2014.
(6) Gunes, F.; Arezki, H.; Pierucci, D.; Alamarguy, D.; Alvarez, J.; Kleider, J.-P.; Dappe, Y. J.; Ouerghi, A.; Boutchich, M. Tuning the Work Function of Monolayer Graphene on 4H-SiC (0001) with Nitric Acid. Nanotechnology 2015, 26, 445702.
(7) Kanjanachuchai, S.; Xu, M.; Jaffre, Alexandre, A.; Jittrong, A.; Chokamnuai, T.; Panyakeow, S.; Boutchich, M. Excitation Transfer in Stacked Quantum Dot Chains. Semicond. Sci. Technol. 2015, 30, 055005.