Par Djordje Dosenovic
Laboratoire Modélisation et Exploration des Matériaux (MEM)/ Équipe LEMMA
Les matériaux bidimensionnels (2D) sont un sujet de recherche majeur, motivé par la diversité des propriétés physiques découvertes dans ces matériaux, qui pourraient potentiellement être exploitées pour le développement de dispositifs électroniques haute performance. Cependant, la fabrication contrôlée de matériaux 2D de haute qualité cristalline reste un défi. En particulier, de nombreux défauts cristallins (ou de structure) créés au cours du processus de croissance entraînent des déviations par rapport aux propriétés théoriquement prévues dans des modèles sans défauts. Pour relever ce défi, une approche robuste de caractérisation de la qualité des matériaux 2D synthétisés et de compréhension des mécanismes de croissance ainsi que des propriétés induites par les défauts est essentielle. La microscopie électronique en transmission à balayage (STEM) corrigée des aberrations se distingue comme l'une des techniques les plus puissantes pour l'analyse structurale et chimique des matériaux 2D à l'échelle atomique. Récemment, un nouveau mode d'imagerie appelé STEM en quatre dimensions (4D-STEM) a émergé, permettant l'enregistrement d'une image du cliché de diffraction en 2D à chaque position de balayage du faisceau d'électrons. Dans des conditions de nanofaisceau, ce mode d'imagerie fournit des informations sur les polymorphes cristallins, l'orientation cristalline et la polarité, qui peuvent être extraites des positions et intensités des disques de diffraction enregistrés. En revanche, en conditions de faisceau convergent, la technique est sensible aux champs électriques projetés à l'échelle atomique, fournissant potentiellement des informations sur la structure électronique du matériau. Les avancées récentes dans les technologies de détecteurs d'électrons directs ont permis une mesure précise du faisceau transmis et sa déviation par rapport à l'axe optique peut être analysée à l'aide de la technique du centre de masse (CoM), permettant un accès direct au champ électrique local. Cependant, le manque de compréhension quantitative et d'interprétation des images CoM est la principale raison pour laquelle cette technique d'imagerie n'est pas encore utilisée de manière routinière pour l'étude des matériaux 2D. Cette thèse vise à explorer l'utilisation de la technique 4D-STEM pour l'analyse quantitative multi-échelle des caractéristiques structurales et électroniques des matériaux 2D synthétisés, couvrant l'analyse de l'échelle du micron à l'échelle de l'Ångström.
Tout d'abord, le 4D-STEM est employé pour la cartographie structurale à grande échelle de matériaux épitaxiés. Dans ce contexte, le contraste anormal dans les paires de Friedel est exploré théoriquement, avec un accent sur l'établissement de conditions d'inclinaison optimale de l'échantillon pour une détection améliorée de la polarité, suivie d'une démonstration expérimentale sur plusieurs monocouches de TMDs 2D (MoS2, WS2, WSe2), fournissant des informations cruciales sur la distribution à grande échelle des défauts 1D, à savoir les jonctions des domaines d'inversion. Dans la seconde partie de cette thèse, la technique 4D-STEM est utilisée en condition de faisceau convergent pour la cartographie à l'échelle atomique du champ électrique projeté et du potentiel dans le WSe2 dopé au vanadium. Un accord quantitatif est obtenu en comparant les champs mesurés expérimentalement aux simulations d'images STEM basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, et en incluant l'effet des aberrations résiduelles de la sonde. Enfin, la charge négative induite par des atomes dopants de vanadium uniques est détectée sous forme d’une chute de potentiel dans les cartes de potentiel reconstruites, démontrant que la technique 4D-STEM peut être utilisée pour imager les états de charge des dopants individuels dans les TMDs semi-conducteurs.