Equipe Surfaces, Spectroscopies et Modélisations (SUPREME)

Elaboration et caractérisation des propriétés électroniques de matériaux 2D

A l’image du graphène, silicène ou bien encore du nitrure de bore, les oxydes de silicium et de germanium peuvent être élaborés en monocouche/bicouche sur un substrat de Ru(0001). Si la monocouche est électroniquement couplée au substrat constituant une interface métal/oxyde seule, des interactions faibles de type Van der Waals lient la bicouche permettant son utilisation en tant qu’isolant à grand gap dans des hétéro-structures. Ces interfaces d’oxydes peuvent aussi être exfoliées, modifiées par insertion d’atomes magnétiques ou bien encore utilisées pour réaliser des mémoires non volatiles ou bien pour leurs propriétés optiques. Par ailleurs, nous travaillons aussi sur les matériaux topologiques ou bien encore sur les matériaux ferroélectriques à fort couplage Rashba avec des partenariats locaux et nationaux.

Projet :

ANR 2D Transformers, 2016-2019 ; MAT2D, 2019-2021 (IJL)

Thèse :

Ministère / Région 2017-2020, Thomas Pierron, Ministère 2020-2023, Calvin Tagne-Kaegom

Article :

Electronic Band Structure of Ultimately Thin Silicon Oxide on Ru(0001), Kremer et al., ACS Nano 2019, 13, 4720.

Synthèse et étude des propriétés électroniques de réseaux moléculaires auto-organisés à la surface de métaux nobles

La réaction catalytique d’Ullmann permet d’élaborer des réseaux moléculaires covalents à la surface des métaux nobles. Il est ainsi possible d’élaborer des architectures uni- ou bidimensionnelles impliquant une délocalisation des électrons et permettant, à terme, de réaliser des pistes isolantes/conductrices pour une électronique « tout carbone ». Une partie de ce travail est effectuée en collaboration avec l’équipe de Giorgio Contini (CNR-ISM,Rome, Italie) et celle de Federico Rosei (INRS-Montréal, Canada).

Projets :

• CFQCU, 2013-2015
• PICS, 2015-2017
• LUE (N4S), 2019-2020

Articles :

• Quasi one-dimensional band dispersion and surface metallization in long-range ordered polymeric wires, Vasseur et al., Nat. Commun. 2016, 7, 10235.
   
• Tuning the Kondo resonance in two-dimensional lattices of cerium molecular complexes, Granet et al., Nanoscale 2018, 10, 9123-9132.

Excitations de charge et de spin dans les systèmes corrélés et transitions de phase

Les propriétés électroniques singulières de nombreux matériaux sont souvent dues aux corrélations électroniques et aux propriétés de symétrie ou de topologie. L’équipe étudie la compétition et/ou la coexistence de corrélations électroniques, d'effet Kondo et de magnétisme dans des systèmes corrélés à base d'électrons d et f présentant des propriétés singulières (ordre de charge ou de spin, supraconductivité, isolant de Mott-Hubbard ou à transfert de charge, fermions lourds, etc.). Plusieurs techniques spectroscopiques (ARPES, photoémission résonante, dichroïsme circulaire magnétique, photoémission X haute énergie, etc.) sont combinées, en collaboration avec Ashish Chainani (National Synchrotron Radiation Research Center, Taïwan)

Projet :

PHC CNRS France/Taïwan 2019-2022

Thèse : 

Thèse internationale Lorraine Université d’Excellence (LUE), 2019-2022, Bodry Tegomo-Chiogo

Articles :

• Evidence for Weakly Correlated Oxygen Holes in the Highest-Tc Cuprate Superconductor Cuprate Superconductor HgBa2Ca2Cu3O8+δ, Chainani et al., Phys. Rev. Lett. 2017, 119, 057001.
   
• Band structure and Fermi surfaces of the reentrant ferromagnetic superconductor Eu(Fe 0.86Ir0.14)2As2, Xing et al., Phys. Rev. B 2017, 96, 174513.

Modélisation DFT : des structures de surface aux propriétés

Les modélisations des structures et des propriétés des surfaces et interfaces sont réalisées à l’échelle atomique, par des méthodes basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, couplées le cas échéant avec d'autres méthodes. Les méthodes utilisées permettent d’identifier les mécanismes de sélection de plans de surface, le rôle des liaisons chimiques, les effets possibles de ségrégation, etc. qui mènent à une structure et des propriétés de surface particulières. Elles apportent également des connaissances fondamentales sur l’origine des propriétés des surfaces étudiées, comme par exemple le rôle de la structure électronique sur le faible mouillage des surfaces d’intermétalliques complexes. Certaines surfaces présentent des propriétés d’usage d’intérêt technologique. La réactivité de surface est alors étudiée pour comprendre les mécanismes d’oxydation ou en vue d’applications, par exemple en catalyse hétérogène, dans le but de remplacer des métaux nobles actuellement utilisés pour certaines réactions d’hydrogénation.

Projets :

• ECMETAC
• LIA-PACS2
• COMETE (FEDER-FSE)
• OXYQUASI
• IRN Aperiodic

Thèses :

• Co-tutelle sur un partenariat IJL-Synchrotron Soleil, 2017-2020, Corentin Chatelier
• Thèse internationale Lorraine Université d’Excellence (LUE) en collaboration avec le Josef Stefan Institute, Slovénie, 2019-2022, Thiago Trevizam-Dorini

Articles :

• Pseudo-2-Fold Surface of the Al13Co4 Catalyst: Structure, Stability, and Hydrogen Adsorption, Corentin Chatelier et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 35, 39787–39797
   
• Catalytic activation of a non-noble intermetallic surface through nanostructuration under hydro-genation conditions revealed by atomistic thermodynamics, E. Gaudry et al., J. Mater. Chem. A, 2020,8, 7422-7431

Elaboration

• Préparation de monocristaux/substrats par cycles de bombardement ionique/recuit à haute température par bombardement électronique/chauffage radiatif ou par courant direct
   
• Synthèse de matériaux par épitaxie par jets moléculaires (MBE) : élaboration de nanostructures métalliques, dopage par adsorption d’alcalins ou d’halogènes, préparation de surfaces semi-conductrices, synthèse de graphène par méthode CVD/MBE combinée et insertion d’atomes métalliques, élaboration d’architectures moléculaires auto-assemblées et/ou polymérisées, évaporation réactive sous oxygène moléculaire/atomique. 

Caractérisation

• Détermination des structures de surface par diffraction électronique (RHEED, LEED) et analyses de surface par photoémission X haute résolution (XPS)
   
• Etude des propriétés structurales et morphologies des surfaces par microscopie à effet tunnel (STM) et mesure des propriétés électroniques locales par spectroscopie tunnel (STS)
   
• Détermination de la structure de bande par photoémission haute résolution (ARPES)
   
• Développement de modèles théoriques des propriétés électroniques pour la spectroscopie (modèles d’impureté de type Anderson)
   
• Instrumentation vide et ultravide, développement de dispositifs UHV complexes : dispositif couplé MBE-STM / STS-Photoémission et dispositif micro-MBE/spin-ARPES couplé au tube D.A.U.M.
   
• Cryogénie

Modélisation

• Calculs ab initio basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité
   
• Modélisation atomistique des composés intermétalliques, de leur structure et de leurs propriétés, aussi bien en volume qu’en surface
   
• Mésocentre de calcul EXPLOR et centres de calcul nationaux

Transfert technologique

Création en 2011 de la société CRYOSCAN afin de valoriser et de transférer les savoir-faire expérimentaux de l’équipe.

Enseignants-Chercheurs

• Yannick FAGOT-REVURAT
• Emilie GAUDRY
• Bertrand KIERREN
• Geoffroy KREMER
• Daniel MALTERRE

Personnels d'appui à la recherche

• Luc MOREAU

Doctorants

• Théo BEQUET
• Nathan BOULANGEOT
• Romain JENN
• Cynthia NDJIMI
• Safouan ZIAT

Post-doctorants et CDD

• Florian BRIX