ISITE - Exploration des interfaces hybrides 2D organiques/inorganiques comme plateforme pour les technologies quantiques et la spintronique durables : une approche par la science des surfaces

Mots clés

croissance par MBE d'interface hybride molecule/isolant/metal, science des surfaces, microscopie/spectroscopie tunnel, photoémission X et UV, Q-bits pour le calcul quantique, spintronique

Détail de l'offre

L'objectif est d'étudier de nouvelles interfaces hybrides organiques/inorganiques durables pour les technologies quantiques, la spintronique et les applications photovoltaïques. D'une part, de nombreux travaux de recherche ont été consacrés ces vingt dernières années à l'auto-assemblage de molécules individuelles sur des surfaces métalliques et semi-conductrices, comme nous l'avons récemment réalisé avec la phtalocyanine de ruthénium (RuPc)₂ déposée sur du graphite, Ag(111) et Ag(100). D'autre part, la synthèse sur surface d'architectures polymérisées par des réactions catalytiques de surface nous a permis de créer des nanofils à base de carbone ou des matériaux organiques 2D de type graphène ou Kagome. Dans les deux cas, l'interaction molécule/surface est contrôlée par le choix du précurseur et la réactivité de la surface, allant d'une interaction forte incluant des transferts de charge dans le cas des métaux comme illustré par l'état moléculaire Kondo pur observé dans le système 2H-Pc/Ag(111) à des interactions plus faibles avec des substrats semi-conducteurs/isolants. En effet, l'interaction molécule/substrat peut être modulée en découplant les entités organiques/inorganiques à l'aide de couches ultra-minces, comme démontré dans le cas de la molécule TBB /1 ML Gr/Ir(111). Récemment, nous avons combiné la diffraction d'électrons lents (LEED), la microscopie/spectroscopie à effet tunnel (STM/STS), la photoémission X à haute résolution (HR-XPS) et UV résolue en angle (ARPES) pour étudier les molécules (RuPc)₂, CuPc et CoPc déposées sur une couche ultra-mince de MgO elle-même déposée sur Ag(001). Nous démontrons la modulation du transfert de charge électrique molécule/substrat par la variation du travail de sortie de MgO/Ag(001) en fonction de l'épaisseur de l'oxyde et des traitements thermiques post-dépôt. Cette modulation permet de réduire fortement l'hybridation entre les états moléculaires et le substrat, un point crucial pour son utilisation en informatique quantique. D'une part, le découplage ou le couplage faible de l'état de spin moléculaire est nécessaire au maintien de la cohérence de l'état quantique. D'autre part, une forte interaction entre l'entité moléculaire et le substrat, notamment un transfert de charge électrique important induit par les molécules de TTF ou TCNQ, permettrait de modifier les propriétés électroniques du substrat, telles que la dynamique des magnons dans les matériaux magnétiques, offrant ainsi des perspectives inédites pour la spintronique et la magnonique. Ces deux approches seront explorées dans le cadre de ces travaux de recherche. Par conséquent, les propriétés électroniques et magnétiques de l'interface ainsi créée méritent une attention particulière, l'objectif final étant de découvrir de nouvelles architectures hybrides présentant des propriétés électroniques, magnétiques et quantiques pertinentes pour une électronique durable à base de carbone. Le doctorant réalisera dans un premier temps la synthèse/auto-assemblage de molécules par évaporation thermique sous UHV sur des substrats appropriés. Des substrats métalliques, semi-conducteurs et magnétiques seront sélectionnés, en privilégiant les matériaux 2D de van der Waals magnétiques (VdWMM) MX₂ et MX₃, avec M = Fe, Cr et X = Br, Cl, I. Leur nature isolante permet le découplage électronique de la couche moléculaire tout en modulant les interactions magnétiques. La température de transition et la nature de l'ordre magnétique peuvent être ajustées en modifiant les atomes M et X. Les substrats seront élaborés in situ ou obtenus en collaboration avec des équipes de recherche capables de les synthétiser et/ou de les exfolier. L'organisation structurale et chimique des substrats et des interfaces sera étudiée in situ par LEED, STM et HR-XPS. Les propriétés électroniques seront étudiées localement par STS et intégrées spatialement par ARPES. Les propriétés magnétiques seront mesurées par magnétométrie Kerr, STS polarisé en spin et spin-ARPES.