Nouveau matériau plein de promesses, le phosphore noir (Black Phosphorus, BP) est constitué d'empilements de couches monoatomiques de phosphore faiblement liées. Alors que le graphène est un conducteur à bande interdite (ou gap) nulle, ce matériau bidimensionnel est un semi-conducteur dont le gap est facilement et largement accordable en variant son épaisseur. En dopant le BP, il est possible d'annuler sa bande interdite et de le faire passer dans une phase semi-métallique.

Les chercheurs ont étudié les états électroniques excités du phosphore noir pour différents dopages électroniques. Ils ont déposé par évaporation sur du BP des quantités croissantes d'atomes alcalins (césium ou potassium), donneurs d'électrons, et ont suivi la fermeture de la bande interdite par photo-émission résolue en angle (Femto-ARPES) avec une précision inégalée. Cette technique puissante permet de peupler les états excités du BP grâce à un laser pompe puis de sonder par photoémission – à l'aide d'un laser sonde – les états de la bande de conduction. Elle permet d'observer les courbes de dispersion des états électroniques et d'obtenir une mesure du gap.

Le rétrécissement du gap jusqu'à son annulation a été également observé par spectro-microscopie à effet tunnel, en accord avec les simulations numériques utilisant la « théorie de la fonctionnelle de la densité – DFT ». Les électrons atteignent une vitesse très élevée et les trous se déplaçant dans la direction hautement dispersive acquièrent même une vitesse de bande supérieure à celle observée dans du graphène sur carbure de silicium.

Cette ingénierie de la structure de bande doit permettre de concevoir de nouveaux dispositifs performants, dotés de fonctionnalités électroniques rapides et optoélectroniques originales.

Cette étude a été réalisée en collaboration avec le Laboratoire des solides irradiés (Iramis), le Synchrotron Soleil, le Laboratoire de physique des solides (CNRS, Université Paris-Saclay, Université Paris-Sud).