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Graphène tri-couche

La découverte de nouvelles formes d’effet Hall quantique dans le graphene et dans le graphene bi-couche a eu un impact remarquable dans la communauté scientifique. La caractéristique la plus significative de l’EHQ dans le graphene est liée à la présence d’un niveau de Landau indépendant du champ magnétique dont l’énergie est nulle. Ce niveau est occupé pour moitié par des porteurs de charges de type "électrons" et "trous". La dégénérescence des états quantiques (en plus de la dégénérescence orbitale) pour le niveau de Landau à énergie nulle est de 4 dans le graphene, de 8 dans le graphene bi-couche et de 12 dans le graphene tri-couche. Ces particularités sont à l’origine des différentes formes d’EHQ observées.

Effet Hall quantique entier dans le graphene (noir), dans le graphene bi-couche (bleu) et dans le graphene tri-couche (rouge) sous champ magnétique jusqu’à 60T

Bien que les propriétés électroniques du graphène et du graphène bi-couche aient été étudiées en détails au cours des années précédentes, les propriétés du graphène tri-couche n’ont été que très peu explorées jusqu’à présent malgré leur intérêt considérable pour des applications futures en nano-électronique (ouverture d’une bande interdite dans la structure de bande). Probablement, l’explication la plus naturelle pour ce constat réside dans le substrat d’oxide de silicium couramment utilisé qui dégrade les propriétés électroniques intrinsèques du graphène tri-couche. En effet, les mobilités électroniques n’atteignent que péniblement 1000 cm2/V.s sur ce type de substrat, ce qui demeure trop peu pour mener une étude approfondie sous champ magnétique "standard" de l’ordre de 18T. Il est possible cependant d’utiliser d’autres substrats tels que le nitrure de bore... et, bien que la fabrication des échantillons soit difficile dans ce cas, cette approche s’est révélée particulièrement fructueuse. Cependant, une autre alternative consiste à étudier la structure de bande du graphene tri-couche de faible mobilité sous champ magnétique très intense.

Structure de bande du graphene tri-couche d’empilement ABC et ABA. La comparaison entre les données théoriques et expérimentales a permis de déterminer l’empilement rhombohédral de cet échantillon

Ainsi, pour la première fois, un quatrième type d’effet Hall quantique a été mis en évidence dans le graphène tri-couche. Des calculs théoriques (basés sur le modèle des liaisons fortes de Slonczewski, Weiss et McClure) ont permis de déterminer sans ambiguïté l’empilement relatif des couches de graphène constituant l’échantillon. Ainsi, nous avons ainsi pu mettre en évidence un empilement de type rhombohédral.

Membres du groupe impliqués dans cette activité :
Walter Escoffier ; M. Goiran ; B. Raquet ; F. Iacovella

Anciens membres du groupe impliqués dans cette activité :
Amit Kumar ; Jean-Marie poumirol

Collaborations :
Clément Faugeras, LNCMI, Grenoble, France
D. P. Arovas & M. M. Fogler, Université de Californie, San Diego, USA
F. Guinea, ICMM, Madrid, Espagne
S. Roche, CI2N & ICREA, Barcelone, Espagne

Publication associée :
A. Kumar et. al. arXiv:1104.1020 (2011) - to appear in Phys. Rev. Lett.