Gap opening in graphene on nanostructured SiC and vicinal noble metal surfaces

Gap en graphène sur des surfaces nanostructurées de SiC et des surfaces vicinales de métaux nobles L'électronique basée sur le graphène fait face à un verrou technologique, qui est l'absence d'une bande interdite (gap) permettant une commutation entre les états logiques allumé et éteint. Les nano-rubans de graphène rendent possible l'obtention de ce gap mais il est difficile de produire de tels rubans avec une largeur précise à l'échelle atomique et des bords bien ordonnés. Le confinement électronique est une façon élégante d'ouvrir un gap et peut en principe être réglé en ajustant la largeur des nano-rubans. Cette thèse est consacrée à la compréhension de l'ouverture du gap par nano-structuration. Nous avons suivi deux approches: l'introduction d'un potentiel super-périodique sur le graphène par des substrats vicinaux de métaux nobles et le confinement électronique dans des nano-rubans sur des facettes artificielles du SiC. Des potentiels super-périodiques ont été introduits avec deux substrats nano-structurés: l'Ir(332) et un cristal courbé de Pt(111) multi-vicinale. Le graphène modifie les marches initiales des substrats et les transforme en une succession de terrasses (111) et de régions d'accumulation de marches, observés par STM. La nano-structuration du substrat induit alors un potentiel super-périodique dans le graphène entraînant l'ouverture de gaps sur la bande π du graphène observée par ARPES, ce qui est cohérent avec la périodicité structurale observé par STM et LEED. Les gaps peuvent être convenablement expliqués par un modèle de type hamiltonien de Dirac; ce dernier nous permet de retrouver la force du potentiel à la jonction entre les terrasses (111) et la région d'accumulation des marches. La force du potentiel dépend du substrat, de la périodicité associée à la surface et du type de bord des marches (soit type A ou B). Nous avons aussi changé le potentiel de surface en intercalant du Cu sur l'Ir(332), qui reste préférentiellement au niveau de l'accumulation des marches. La surface présente des régions dopées n alors que les régions non-intercalées restent dopées p, conduisant à une succession de rubans dopés n et p pour une même couche de graphène continue. La seconde approche pour contrôler le gap est par confinement électronique dans des nanorubans de graphène synthétisés sur du SiC. Ces rubans sont obtenus sur des facettes du SiC ordonnées périodiquement. Comme l'ouverture d'un gap d'origine inconnue avait été observée par ARPES, nous avons réalisé les premières études atomiquement résolues par STM. Nous démontrons la régularité et la chiralité des bords, nous localisons précisément les nanorubans de graphène sur les facettes et nous identifions des mini-facettes sur du SiC. Afin de comprendre le couplage entre le graphène et le substrat, nous avons étudié une coupe transversale par STEM/EELS, en complément des études par ARPES et STM/STS. Nous observons que la facette (1-107) où le graphène se trouve présente un sub-facettage sur les extrémités haute et basse. Le sub-facettage comprend des mini-terrasses (0001) et des mini-facettes (1-105). Le graphène s'étend tout au long du la région sub-facettée, et est couplé au substrat dans les mini-terrasses (0001), ce qui le rend semi-conducteur. En revanche, le graphène au-dessus des mini-facettes (1-105) est découplé du substrat mais présente un gap observé par EELS, et compatible avec les observations faites par ARPES. L'origine du gap est expliquée par le confinement électronique sur des nano-rubans de graphène de 1 - 2 nm de largeur localisés sur ces mini-facettes (1-105).