​​Les anomalies de structure dans les matériaux 2D sont reconnues comme essentielles pour modifier localement leurs propriétés électriques, optiques et magnétiques. Pour contrôler les propriétés des matériaux et explorer leurs fonctionnalités, il est important de pouvoir accéder aux propriétés électriques locales ainsi que leur configuration structurelle à l'échelle atomique. Récemment, une nouvelle technique d'imagerie a été développée, sensible aux champs électrostatiques locaux, appelée Microscopie Électronique à Transmission à Balayage en 4 Dimensions (4D-STEM). Cette technique n'est toutefois pas encore utilisée de manière routinière pour l'étude des matériaux 2D en raison du manque de compréhension quantitative et d'interprétation des images reconstruites.

Une équipe de l’Irig [Collaboration] a utilisé la 4D-STEM pour étudier une monocouche de WSe₂ dopé au vanadium, synthétisé au sein de Spintec. Les images reconstruites à l'échelle atomique du champ électrique et du potentiel électrostatique ont été comparées aux simulations d'images STEM basées sur des calculs ab initio en tenant compte de paramètres du microscope tels que les aberrations du faisceau. Cela a conduit à un accord quantitatif entre les reconstructions expérimentales et simulées du potentiel électrostatique.
Autre fait intéressant, une chute significative du potentiel autour des atomes de dopants de vanadium a été détectée et attribuée à la présence de charges négatives (voir Figure) montrant clairement la capacité de la 4D-STEM à révéler des informations électriques allant au-delà de l'analyse structurale simple.
Enfin, la technique a été utilisée pour imager le paysage du potentiel électrostatique dans des configurations structurales plus complexes, en particulier en présence de défauts liés à la croissance, ouvrant la perspective pour une analyse à l'échelle atomique des effets de charge et des interactions entre défauts chargés dans les matériaux 2D synthétisés.

 ​Figure : illustration de la cartographie du potentiel électrostatique, réalisée par microscopie 4D-STEM. La présence de charges négatives autour des atomes dopants vanadium induit une chute de potentiel. Avec l’aimable autorisation de la revue ACS Nano

La 4D-STEM offre une approche puissante pour sonder les champs électrostatiques locaux et les paysages de potentiel à l'échelle atomique. La capacité démontrée à analyser quantitativement les états de charge autour des dopants individuels et des défauts complexes souligne le potentiel de cette technique pour faire progresser la compréhension de la structure des matériaux 2D et de leurs propriétés fonctionnelles.

Collaboration
Irig/Spintec pour la croissance MBE
Irig/MEM et UC Louvain (Belgique) pour les calculs ab initio
​Institut Néel pour le traitement des données 4D-STEM