Magneto-optical spectroscopy of multilayer graphene and graphene-hexagonal boron nitride hetero-structures

Etudes magnéto-Raman de systèmes - graphène multicouches et hétérostructures de graphène-nitrure de bore Comme le quatrième élément le plus abondant dans l’univers, le carbone joue un rôle important dans l’émergence de la vie sur la terre comme nous la connaissons aujourd’hui. L’ère industrielle a vu cet élément au cœur des applications technologiques en raison des différentes façons dont les atomes forment les liaisons chimiques, ce qui donne lieu à une série d’allotropies chacun ayant des propriétés physiques extraordinaires. Par exemple, l’allotrope le plus thermodynamiquement stable du carbone, le cristal de graphite, est connu pour être un très bon conducteur électrique, tandis que le diamant, très apprécié pour sa dureté et sa conductivité thermique, est néanmoins considéré comme un isolant électrique en raison de sa structure cristallographique différente par rapport au graphite. Les progrès de la recherche scientifique ont montré que les considérations cristallographiques ne sont pas le seul facteur déterminant pour une telle variété dans les propriétés physiques des structures à base de carbone. Ces dernières années ont vu l’émergence de nouvelles formes allotropiques de structures de carbone qui sont stables dans les conditions ambiantes, mais avec dimensionnalité réduite, ce qui entraîne des propriétés largement différentes par rapport aux structures en trois dimensions. Parmi ces nouvelles classes d’allotropes il y a le graphene, qui est le premier matériau à deux dimensions. L’isolation réussi de monocouches de graphène a contesté une croyance établie depuis longtemps en physique : le fait que les matériaux purement 2D ne peuvent pas exister dans les conditions ambiantes parce qu'ils sont instables en raison de l’augmentation des fluctuations thermiques lorsqu’ils se prolongent dans les 2D. Afin de minimiser son énergie, un matériau se brisera en îlots coagulées. Le graphène arrive cependant à surmonter cette barrière en formant des ondulations continues sur la surface du substrat et est stable même à température ambiante et pression atmosphérique. Une grande intention dans la communauté scientifique a été donnée au graphène, après les premiers résultats publiés sur les propriétés électroniques de ce matériau. Les propriétés fondamentales et mécaniques du graphène sont fascinants. Grace aux atomes de carbone qui sont emballés dans un mode sp2 hybridé, formant ainsi une structure de réseau hexagonal, le graphène possède le plus grand module de Young et la plus grande capacité d’étirement, en même temps des centaines de fois plus dur que l’acier. Il conduit la chaleur et l’électricité de manière très efficace. L’aspect le plus fascinant à propos du graphène est surement la nature de ses porteurs de charge à basse énergie. En effet, le graphène présente des bandes d’énergie linéaires au point de neutralité de charge, donnant aux porteurs de charge une nature relativiste. De nombreux phénomènes observés dans ce matériau sont des conséquences de la nature relativiste de ses porteurs. Transport balistique, conductivité optique universelle, absence de rétrodiffusion, et une nouvelle classe d’effet Hall quantique sont de bons exemples de phénomènes nouvellement découverts dans ce matériau. Il est cependant encore trop tôt pour affirmer que toutes les propriétés physiques du graphene sont bien comprises. Dans cette thèse, nous avons mené des expériences de spectroscopie magnéto-Raman pour répondre à certaines des questions ouvertes dans la physique du graphène, notamment l’effet de couplage de Coulomb sur le spectre d’énergie du graphène, et le changement dans les propriétés physiques du graphène multicouche en fonction de sa cristallographie. Nos echantillions ont été soumis à de forts champs magnétiques, appliqués perpendiculairement aux plans atomiques. Le spectre d’excitation sous champ magnétique montre un couplage entre ces excitations et les modes de vibratoires. Cette approche expérimentale permet de remonter à la structure de bande du graphene en champs nul, ainsi que de nombreuses autres propriétés du matériau.