Pendant ces quatre années de post-doctorat, ma recherche s'est concentrée sur l'étude des phénomènes de transport balistique à ultra haute mobilité dans les gaz bidimensionnels d'électrons au sein de monocouches de graphène encapsulées dans des hétérostructures de nitrure de bore hexagonal (hBN). Ces études ont été menées dans le cadre de deux co-encadrements de thèse (Holger Graef et Aurélien Schmitt) et articulées autour de plusieurs projets :

Tout d'abord, le premier objectif était de créer des condensateurs à base de graphène/hBN et d'étudier la résonance plasmonique du gaz 2D d'électron en régime hyperfréquence. Les propriétés non classiques du transport, résultant du confinement et/ou de la cohérence quantique, se manifestent non seulement dans la conductance, mais aussi dans l'admittance RF et le bruit. Des mesures préliminaires nous ont permis de déterminer avec précision les propriétés diélectriques du hBN [ACL-7]. Nous avons ensuite réalisé des condensateurs graphène à effet de champ que nous avons caractérisé avec un analyseur de réseau 70GHz dans lesquels nous avons observé une résonance plasmonique à 40 GHz, correspondant à un plasmon avec une longueur d'onde de 100 µm [ACL-3]. Cette découverte constitue une avancée significative dans la réalisation de dispositifs plasmoniques résonants et dans l'étude des plasmons au sein de super-réseaux bipolaires.

Nous avons également exploité les caractéristiques balistiques (associé au phénomène de transmission tunnel de Klein) de tels dispositifs, afin d'examiner la réflexion totale interne des électrons. Nous avons conçu des réflecteurs en forme de coin, délimités par des électrodes de grille ultra fines, et avons démontré des effets d'optique électronique à la fois géométrique et cohérente [ACL-4]. En plus de démontrer la faisabilité d'expériences d’optique de fermions de Dirac en régime hyperfréquence, nous avons montré que ce dispositif réagissait de manière sensible à la diffusion par les phonons, ouvrant ainsi la voie à des mesures de leur temps de vol.

Nous avons également établi que le graphène, un semi-métal, peut réaliser l’électroluminescence en régime de fort biais. Cette percée majeure dans le domaine de l’interaction lumière-matière est démontrée en combinant différentes techniques de spectroscopie optique, est rendue possible par la présence d’un mécanisme interbande d’injection de porteurs dans le graphène haute-mobilité à très fort champ, l’effet Zener [submitted].

Enfin, pendant nos recherches visant à repousser les limites de fonctionnement hyperfréquences de transistors graphène, en explorant notamment le régime interbande de conduction Zener [ACL-5], nous avons démontré l’existence d’un variant mésoscopique lié à la physique des hautes énergies, à savoir l'effet Schwinger, dans le graphène. Nous avons mis en évidence qu'une combinaison entre l'effet de pointe électrique souvent associé au régime de pincement des transistors semi-conducteurs et l'effet tunnel de Klein, dû à la nature relativiste des porteurs de charge dans le graphène, crée un régime de transport unidimensionnel qui engendre la création Schwinger de paires électron-trou sous fort champ [ACL-8].

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(PI: Bernard Plaçais - GoBN and Graphene Core from the European Flagship Graphene funded project)

Ce projet s’est focalisé sur l’étude, théorique et expérimentale, des propriétés optiques uniques de nanostructures d'or pour la conception de nouveaux dispositifs photoniques et plus précisément plasmoniques. En effet, de telles nanostructures, après une bio-fonctionnalisation adéquate, se transforment en biopuces et peuvent être insérées dans un instrument optique afin d’en améliorer significativement les performances en tant que biocapteurs. Afin de réaliser une percée dans cette technologie, je me suis intéressé plus particulièrement à l’optimisation des différents paramètres géométriques de ces structures résonantes pour pouvoir améliorer simultanément la sensibilité de l’imagerie de résonance de plasmon de surface (SPRI) et la diffusion Raman exaltée de surface (SERS).

Mon travail a donc consisté à mettre au point de manière reproductible et fiable de telles nanostructures en salle blanche par lithographie électronique. J’ai ensuite analysé chaque biopuce par SPRI afin de détecter et de quantifier des bio-cibles capturées en temps réel, puis par SERS afin d’identifier sans ambigüité ces bio-cibles par analyse spectrale, en se concentrant uniquement sur les domaines d'intérêt délimités par les données issues du module SPRI [ACL-6].

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(PI: Pr. Marc Lamy de la Chapelle - NanobioSensor ANR funded project)

Les composants semi-conducteurs à hétérostructures AlGaN/GaN devraient jouer un rôle important dans les futurs systèmes de télécommunication et les systèmes électroniques de puissance. L’obstacle majeur réside dans l’auto-échauffement important de ces composants GaN qui impacte directement leur fiabilité et nécessite donc le développement de nouvelles technologies capables de gérer au mieux ces dissipations thermiques lors d’une utilisation à forte puissance. De plus, les contraintes mécaniques dans les couches épitaxiées favorisent la présence de pièges et de défauts dans le canal qui réduisent encore davantage la fiabilité des composants GaN.

L’objectif de ce projet a été d’investiguer ces facteurs fondamentaux qui dictent la fiabilité des dispositifs de puissance GaN en fournissant les informations essentielles susceptibles d’améliorer à leur tour la technologie de ces composants. Ces études se sont surtout concentrées sur les réponses thermiques et mécaniques via l’analyse des phonons acoustiques par spectrométrie Raman et photoluminescente de structures HEMTsAlGaN/GaN. L’étude des déviations relatives des pics E2high et A1LO, caractéristiques du spectre Raman du GaN, a permis de mesurer avec une résolution spatiale micrométrique les niveaux de température et de stress mécanique de différentes technologies de composants GaN (HEMT, diode Schottky, diode PIN) [ACTI-7]. J’ai aussi mené d’importants travaux afin d’améliorer la sensibilité des mesures Raman en utilisant des dépôts de nanoparticules semi-conductrices. Cette technique a alors permis pour la première fois de mesurer les faibles élévations de température de composants hyperfréquences basse puissance mais aussi de mesurer directement la température sur les grilles métalliques de composants HEMTs.

 

(PI: Pr. Samuel Graham, Jr - Fulbright Scholar Program)

Les propriétés électriques et mécaniques exceptionnelles du graphène font de ce matériau bidimensionnel à base de carbone l’un des matériaux phare de la micro-électronique. L’objectif de ces travaux de recherche était de démontrer, par la fabrication et la caractérisation de composants RF, les possibilités nouvelles offertes par le graphène dans le domaine des transistors ultra-rapides et faible bruit.

Le développement et l’optimisation des différents procédés technologiques (mise au point d’un oxyde de grille par ALD, lithographie de grilles en T, nanostructuration de la zone active en nanorubans de graphène…) se sont déroulés en salle blanche à partir d’échantillons de graphène obtenus par graphitisation de substrat SiC. La qualité et les propriétés du matériau telles que la mobilité, la résistance par carré, ainsi que certaines caractéristiques technologiques comme les résistances de contact ont ensuite été déduites de mesures spécifiques (AFM, microscopie Raman, effet Hall, courbes I(V)). Finalement, des caractérisations électriques en régime statique et dynamique effectuées sur des transistors graphène à effet de champ (GFET) ont été effectuées sous analyseur de réseau vectoriel. Les meilleures performances hyperfréquence ont été obtenues sur des transistors à base de nano-rubans de graphène (GNRFET), avec une fréquence de coupure « intrinsèque » du gain en courant =82GHz et une fréquence maximale d’oscillation =29GHz; et ce pour une longueur de grille de Lg=75nm à Vds=300mV [ACL-2] [ACL-1].

 

(PI: Pr. Henri Happy - MIGRAQUEL ANR funded project)