Découvert en 2004, le graphène est un matériau bidimensionnel métallique, à la structure électronique singulière. En haut de la bande de conduction, l'énergie des électrons y est proportionnelle à leur impulsion – et non pas au carré de leur impulsion – ce qui peut être visualisé par une courbe de dispersion dite en cônes de Dirac. Dans cette situation, et par analogie avec la formule relativiste décrivant les photons, tout se passe comme si les électrons dans le graphène avaient une masse nulle et se déplaçaient à vitesse constante. Cette propriété est à l'origine de l'effet Hall quantique observé dans le graphène.
Un autre matériau bidimensionnel, le phosphorène bleu, a été récemment synthétisé, à partir d'atomes de phosphore (et non plus de carbone). Il possède une structure atomique en nid d'abeilles, semblable à celle du graphène, mais ondulée (ou corruguée). À la différence du graphène, le phosphorène bleu est semi-conducteur, ce qui lui ouvre des applications en électronique.
Des chercheurs de l'Institut des sciences moléculaires d'Orsay (CNRS-Université Paris-Saclay), du Synchrotron SOLEIL, de l'Iramis et leurs partenaires ont synthétisé, par déposition sous ultravide d'atomes de phosphore sur un monocristal de cuivre, une monocouche de phosphorène bleu à caractère métallique, analogue au graphène.
Puis ils ont identifié la structure atomique et électronique du feuillet de phosphorène bleu obtenu, en combinant plusieurs outils d'analyse de pointe.
Ainsi, l'analyse par microcopie et spectroscopie à effet tunnel montre que le feuillet de phosphorène bleu est très ordonné et que sa corrugation naturelle est réduite par l'interaction avec le substrat de cuivre. La spectroscopie à effet tunnel révèle son caractère métallique et la spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES), sur la ligne TEMPO du synchrotron SOLEIL, dévoile pour la première dois ses états électroniques en cônes de Dirac.
Les calculs de densités d'états réalisés par des chercheurs de l'Iramis ont permis de retrouver aussi bien les observations structurales – l'aplatissement de la structure – que les propriétés électroniques, confirmant en particulier son caractère métallique.
La modélisation par DFT réalisée par des chercheurs de l'Iramis permet de retrouver aussi bien les observations structurales – l'aplatissement de la structure – que les propriétés électroniques, confirmant en particulier le caractère métallique du feuillet de phosphorène. Cette modélisation conduit aussi à une interprétation simple du résultat : la liaison du feuillet de phosphorène avec le cuivre mobilise un électron, laissant pour les quatre autres électrons du phosphore pentavalent, une structure électronique en cônes de Dirac proche de celle du graphène, constitué de carbone tétravalent.
Ces résultats ouvrent la voie à une exploration plus large des propriétés électroniques du phosphorène bleu métallique, sur support de cuivre.
Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec l'Université centrale de Floride (États-Unis) et l'Université Mohammed 5 (Maroc).
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