Les hétérostructures de van der Waals constituées d’un empilement de matériaux 2D (graphène, dichalcogénures de métaux de transition, h-BN…) font actuellement l’objet d’intenses recherches car il est possible d’ajuster leurs propriétés électroniques par un choix approprié des couches 2D les constituant et de l’ordre d’empilement. Dans ces hétérostructures, l’interaction aux interfaces est de type van der Waals du fait de l’absence de liaisons pendantes dans les couches adjacentes. Ces interactions de van der Waals sont habituellement supposées très faibles (quelques dizaines de meV) et avoir un effet négligeable sur les structures atomique et électronique des couches individuelles. Cependant, le désaccord de paramètre de maille ou la désorientation des cristaux associés à des recouvrements d’orbitales peuvent donner naissance à des fluctuations électroniques ou atomiques (comme les figures de Moiré) et à de nouvelles propriétés physiques. Une étude approfondie des interactions de van der Waals dans ce type d’empilement est donc nécessaire pour comprendre et concevoir de nouvelles hétérostructures aux propriétés électroniques originales.

Dans ce travail, mené conjointement par 3 laboratoires de notre institut (Spintec, PHELIQS et MEM), les chercheurs ont étudié l’effet des interactions de van der Waals sur les structures atomique et électronique de l’hétérostructure : MoSe₂/quelques feuillets de graphène/SiC. Cette hétérostructure a été fabriquée sous ultravide et à haute température (500°C) par épitaxie par jets moléculaires, ce qui garantit une grande propreté des interfaces. Cette structure de grande qualité a permis de montrer que l’interaction entre MoSe₂ et les feuillets de graphène n’est pas seulement de type van der Waals. Tout d’abord, la diffraction de rayons X en incidence rasante à l’ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) a mis en lumière l’alignement des cristaux de MoSe₂ et de graphène. Aucun autre variant n’a pu être détecté, ce qui démontre la parfaite relation d’épitaxie de MoSe₂ sur graphène. De plus, des mesures de photoémission résolue dans l’espace des k (kPEEM) réalisées à ELETTRA (synchrotron italien), couplées à des calculs ab initio, ont démontré l’existence d’un fort transfert de charge entre MoSe₂ et le graphène. Ce transfert de charge induit l’ouverture d’un gap dans les feuillets de graphène. Les chercheurs ont estimé la limite inférieure de ce gap à 250 meV, ce qui correspond à la plus forte valeur reportée à ce jour dans ce type de matériau.
Ces résultats démontrent donc que l’empilement de matériaux 2D dans une hétérostructure de type « van der Waals » peut potentiellement modifier les structures atomique et électronique des couches individuelles. Cette propriété peut donc être utilisée pour contrôler les propriétés physiques de couches 2D, par exemple l’ouverture d’un gap dans le graphène.


Vue artistique de l’hétérostructure MoSe₂/bicouche de graphène et de la structure de bandes calculée par la méthode DFT montrant l’ouverture du gap dans le graphène par transfert de charge.