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Linas, Sébastien. Fabrication et caractérisation de nano-rubans de graphène par gravure électronique directe

Linas, Sébastien (2012). Fabrication et caractérisation de nano-rubans de graphène par gravure électronique directe.

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Résumé en francais

Le graphène est l'un des candidats les plus prometteurs pour la fabrication des futurs dispositifs électroniques. Ses remarquables propriétés électroniques découlent de sa structure atomique et sont caractérisés par un gaz bidimensionnel d'électrons à l'échelle macroscopique et des états moléculaires à l'échelle nanométrique. Cette thèse a pour but de structurer le graphène sur une large gamme d'échelle de longueurs pour produire des nano rubans de graphène (GNR) connectés à des électrodes de graphène. Les trois principaux objectifs sont (i) produire, contacter et structurer des GNR jusqu'à une largeur de 10 nm et une longueur de plusieurs centaines de nanomètres, (ii) planifier toutes les étapes de ce processus tout en minimisant la contamination pour obtenir, à terme, des échantillons compatibles avec l'ultravide et (iii) graver des GNRs tout en préservant la qualité cristallographique du graphène et minimisant son amorphisation. La première partie est dédiée à la caractérisation du graphène monocouche par des analyses topographiques AFM et spectroscopiques Raman. Nous montrons que ces techniques sont limitées, l'une, par une faible reproductibilité de la mesure de la hauteur apparente et l'autre, par une faible sensibilité aux défauts peu denses. Cependant, l'origine de l'instabilité de la mesure AFM a été identifiée comme résultant de la présence d'un ménisque d'eau. Des conditions de fonctionnement stable ont été trouvées et conduisent à des mesures de hauteur apparente reproductibles. Pour augmenter le signal Raman dû aux défauts dans le graphène, nous avons suivi l'évolution de l'intensité du signal dans le voisinage de nano-bâtonnets d'or cristallins placés près des bords du graphène. Une seconde partie décrit en détail comment nous avons directement gravé des GNR dans le graphène en utilisant un faisceau électronique de faible énergie (1-20 keV) en présence de vapeur d'eau. Nous montrons que la gravure induite par un faisceau électronique (EBIE) produit des GNRs de moins de 20 nm de large et longs de plusieurs centaines de nanomètres ou des tranchées longues de plusieurs micromètres permettant d'isoler un GNR du feuillet de graphène. Une attention particulière a été portée à la caractérisation de la qualité structurale des bords des GNR. La microscopie électronique en transmission avec correcteur d'aberrations montre que le graphène est intact à moins de 2 nm d'un bord de découpe EBIE. La dernière partie est dédiée à l'application de cette technique EBIE prometteuse pour fabriquer des GNR contactés électriquement dans un dispositif à effet de champ. Nous montrons que des dispositifs de graphène sur silice sont amorphisés de manière significative par des électrons rétrodiffusés. Un nouveau dispositif a été conçu et réalisé qui consiste à suspendre localement le graphène et a permis de fabriquer des GNR (typiquement 30x200 nm) connectés par des électrodes sur un substrat possédant une grille arrière. Ce travail ouvre la voie pour la mesure de transport électronique dans des GNR et, au-delà sur des structures plus complexes basées sur les GNRs. Il constitue la première étape vers une technologie atomique intégrée pour des dispositifs d'électronique moléculaire à base de graphène.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Dujardin, Erik
Ecole doctorale:Sciences de la matière (SdM)
laboratoire/Unité de recherche :Centre d'Elaboration de Matériaux et d'Etudes Structurales (CEMES), UPR 8011
Mots-clés libres :Graphène - Gravure induite par faisceau électronique - AFM - MET avec correcteur d'aberrations - Spectroscopie Raman et électronique moléculaire
Sujets :Sciences des matériaux
Déposé le :07 Oct 2013 10:09