Projet ANR-15-CE24-0017 – J2D : Jonctions ultrafines réalisées par empilement de matériaux 2D: nouveaux constituents de base pour l'électronique
Programme : Micro et nanotechnologies pour l’information et la communication (DS0710) 2015
Année de financement : 2015
Coordinateur du projet : Madame Laurence Magaud (Institut Néel)
Partenaires : Laboratoire public; Laboratoire de Physique Théorique et Modélisation; Structures et Propriétés d'Architectures Moléculaires
Montant : 539998.0 euros
Date de début : 2015
Durée : 42 mois
Résumé : L’obtention d’un feuillet unique de graphène en 2004 suivi de l’engouement pour l’ensemble des matériaux lamellaires (h-BN, dichalcogénures de métaux de transition) ouvrent la voie à de nouveaux dispositifs électroniques de haute performance. Épais d’un seul plan, ces matériaux bidimensionnels peuvent s’empiler artificiellement à volonté, créant ainsi des hétérostructures qui combinent leurs propriétés. Le projet J2D  a pour objectif la création de jonctions en utilisant différents types de matériaux bidimensionnels (métal, semiconducteur, isolant) pour explorer les propriétés de l’interface jusqu'à l'échelle atomique et les corréler à des mesures de phototransport. Il couvre l’ensemble des étapes, de l'obtention des matériaux aux dispositifs, en se focalisant sur les points fondamentaux. Le plan de travail s'articule donc en quatre parties: élaborer les matériaux, les empiler, étudier les propriétés des jonctions et  proposer quelques dispositifs nouveaux et tester leurs propriétés. A chaque étape, différentes techniques expérimentales (AFM, STM, KPFM, Raman, Photoluminescence, transport) et de la modélisation seront couplées de manière à bénéficier de leur apports réciproques et ainsi choisir la meilleure direction pour l’étape suivante.  
Les matériaux seront obtenus soit par croissance (CVD sur différents substrats ou graphitisation du SiC) soit par exfoliation puis caractérisés  par ces différentes techniques afin de déterminer leur qualité cristalline, leur taille et de vérifier leurs propriétés électroniques. Le consortium maîtrise déjà l’exfoliation de nombreux matériaux et la croissance de graphène sur différents substrats. Ces approches seront adaptées aux deux TMDC choisis (MoS2 et WS2) pour développer leur  épitaxie dans le plan afin de réaliser des jonctions planaires par CVD  tandis que les techniques d’exfoliation seront utilisées pour fabriquer les briques de base des structures verticales.
La liaison Van der Waals, entre plans successifs est à la base de l'assemblage des   hétérostructures verticales. Nous avons déjà les compétences pour le transfert du graphène et allons étendre ces compétences aux autres matériaux (étape 2).  Les propriétés électroniques et optiques de ces hétérostructures seront étudiées au cours de l’étape 3. 
Pour chacune de ces trois premières étapes, des verrous technologiques et scientifiques devront être levés: le dopage des matériaux (un point clef de l’industrie de la microélectronique), l'orientation de l'empilement, les impuretés piégées au cours des transferts pour réaliser les empilements et la dimensionalité réduite des jonctions (1D ou 2D, les modèles classiques étant tridimensionnels). 
Les structures tridimensionnelles, comme les jonctions pn ou Schottky, le transistor à effet de champ, ont été les composants de base de la microélectronique depuis ses débuts. L'apparition d'une nouvelle technologie, ici l'empilement van der Waals ouvre de nouvelles possibilités, de nouvelles géométries sont accessibles et de nouveaux concepts devront être explorés à l’image de ce qui a été fait avec les hétérostructure de semiconducteurs qui ont engendrés des dispositifs originaux (puits quantique, diode électroluminescente). Cette exploration est le but de l’étape 4. 
 Chacune de ces étapes fournira des opportunités pour la vulgarisation scientifique avec pour objectif d’expliquer à une large audience ce que le caractère bidimensionnel signifie. Cela prendra la forme d’un démonstrateur pour le physiquarium, une plateforme de vulgarisation de l’institut Néel. Un simulateur de nanomanipulateur fera prendre conscience aux visiteurs de la différence entre liaisons covalents et liaisons Van der Waals et les fera ainsi réfléchir au sens de la liaison. 
L’expertise scientifique des  partenaires (Institut Néel, LPTM, SPrAM) dans le domaine des matériaux bidimensionnels, leurs compétences complémentaires qui couvrent toutes les étapes et leurs collaborations déjà existantes assurent la réussite du projet.