Comme le graphite, le diséléniure de tungstène WSe2 est constitué d'« empilements » de feuillets pouvant être séparés facilement. Il appartient à une famille de matériaux semi-conducteurs, les dichalcogénures de métaux, qui ont des applications en photovoltaïque, photonique ou photoélectrochimie, notamment sous leur forme bidimensionnelle.
Or, les anomalies de structure dans les matériaux 2D sont reconnues comme essentielles pour modifier localement leurs propriétés électriques, optiques ou magnétiques. Mais comment les sonder à l'échelle atomique ?
Possiblement par une nouvelle technique d'imagerie, sensible aux champs électrostatiques locaux, appelée microscopie électronique à transmission à balayage en 4 dimensions (4D-STEM, 4D Scanning Transmission Electron Microscopy). Elle consiste à enregistrer une figure de diffraction électronique dans l'espace réciproque, pour chaque « point » de balayage. Aujourd'hui, cette technique n'est pas utilisée en routine pour étudier les matériaux 2D car l'interprétation des images reconstruites reste délicate et non quantitative.
Évaluer la microscopie 4D-STEM
Une collaboration menée par l'Irig a voulu évaluer cette technique en testant une monocouche de WSe2 dopé au vanadium, fabriquée à l'Irig.
Pour cela, elle a reconstruit des images à l'échelle atomique du champ électrique et du potentiel électrostatique à partir des données issues du 4D-STEM puis elle les a comparées avec des images simulées à l'aide de calculs ab initio prenant en compte des paramètres du microscope tels que les aberrations du faisceau.
Résultat : les images du potentiel électrostatique reconstruites à partir de données expérimentales et simulées s'accordent quantitativement.
- Une chute significative du potentiel autour des atomes de dopants de vanadium a été détectée et a pu être attribuée à la présence de charges négatives.
- Le « paysage » du potentiel électrostatique a pu être observé en présence de défauts liés à la croissance cristalline, ouvrant la voie à une analyse à l'échelle atomique des effets de charge et des interactions entre défauts chargés, dans les matériaux 2D synthétisés.
Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec l'Université catholique de Louvain (Belgique) et l'Institut Néel (Grenoble).