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Cette thèse est consacrée à la production de matériaux 2D en phase liquide, en utilisant des approches pouvant permettre la production en masse de graphène et de matériaux apparentés. Notre objectif est de surmonter certains problèmes critiques pour le traitement et l'utilisation pratique des encres à base de matériaux 2D et de fournir une compréhension approfondie de la relation structure-propriétés dans ces matériaux, constituant des étapes obligatoires pour leurs applications futures. Cette thèse porte principalement sur l'UILPE et l'exfoliation électrochimique du graphène et du disulfure de molybdène (MoS2), qui ont été choisis comme matériaux prototypes à 2 dimensions. Les approches synthétiques sont combinées à une caractérisation physico-chimique des matériaux produits, à l'aide de techniques telles que l'AFM, la microscopie électronique, la spectroscopie XPS et Raman, ainsi qu'à une caractérisation électrique. Des applications dans le domaine de la détection et de l'électronique ont été explorées et ont permis de démontrer que des approches d'exfoliation en phase liquide pouvaient être utilisées pour obtenir un contrôle précis des propriétés des matériaux 2D ouvrant la voie à leur intégration en tant que matériaux actifs dans de nouveaux dispositifs multifonctionnels. / This thesis is devoted to the production in liquid-phase of two-dimensional materials, by using approaches that may enable mass production of graphene and related materials. We aim to overcome some issues that are critical for the processing and practical use of 2D materials-inks and to provide a deep understanding of the structure-properties relationship in such materials being mandatory steps toward their future applications. This thesis mainly focuses on ultrasound-induced liquid-phase exfoliation and electrochemical exfoliation of graphene and molybdenum disulfide, which have been chosen as prototypical 2D materials. The synthetic approaches have been combined with a multiscale physico-chemical and electrical characterization of the produced materials, by employing techniques such as AFM, XPS and Raman spectroscopy. Applications in the field of sensing and electronics have been explored and allowed to demonstrate that liquid-phase exfoliation approaches can be conveniently employed to achieve a fine control on the properties of 2D materials paving the way to their integration as active materials in novel multifunctional devices.

2D molybdenum disulfide (MoS₂) gives a new inspiration for the field of nanoelectronics, photovoltaics, and sensorics. However, the most common processing technology, e.g., liquid‐phase based scalable exfoliation used for device fabrication, leads to the number of shortcomings that impede their large area production and integration. Major challenges are associated with the small size and low concentration of MoS₂ flakes, as well as insufficient control over their physical properties, e.g., internal heterogeneity of the metallic and semiconducting phases. Here it is demonstrated that large semiconducting MoS₂ sheets (with dimensions up to 50 µm) can be obtained by a facile cathodic exfoliation approach in nonaqueous electrolyte. The synthetic process avoids surface oxidation thus preserving the MoS₂ sheets with intact crystalline structure. It is further demonstrated at the proof‐of‐concept level, a solution‐processed large area (60 × 60 µm) flexible Ebola biosensor, based on a MoS₂ thin film (6 µm thickness) fabricated via restacking of the multiple flakes on the polyimide substrate. The experimental results reveal a low detection limit (in femtomolar–picomolar range) of the fabricated sensor devices. The presented exfoliation method opens up new opportunities for fabrication of large arrays of multifunctional biomedical devices based on novel 2D materials.

This work deals with issues of application of the graphene material in the field of electrochemical energy storage. It includes basic graphene properties, the overview of methods for the production of lithium-iron-phosphate/graphene composites and results of different research approaches. The general aim is to present growing opportunity of application of graphene based composites in the electrochemical energy storage field. In the experimental part of this work, a electrochemical exfoliation of graphite and a production of LFP/G composites with different amount of graphene material and with different types of graphene material are carried out. This work includes also x-ray diffraction spectroscopy measurements and the evaluation of impacts of graphene additives on final properties of the electrochemical energy storage.

Sa conductivité électronique ou encore sa transparence optique sont autant de propriétés physico-chimiques singulières du graphène qui expliquent le nombre accru de méthodes d’exfoliation de précurseurs graphitiques développées pour l’obtention de ce matériau. Pour palier à l’utilisation d’un oxyde de graphite/graphène caractérisé par une chimie de surface mal maitrisée, des graphites fluorés, de cristallinité mais aussi de concentration en fluor variables, ont été préparés par fluoration de graphite sous fluor moléculaire pur après optimisation des paramètres. Les précurseurs, que ce soit par fluoration dynamique ou statique, ainsi obtenus ont été caractérisés finement : diffraction des rayons X, spectroscopies IR et Raman et leur texture sondée par Microscopie Electronique à Balayage et à Transmission. Suite à cela, trois méthodes d’exfoliation ont été mises en place, basées sur des mécanismes différents : i) une exfoliation par choc thermique, déjà connue mais dont les mécanismes de décomposition ont été affinés dans cette étude, ii) une exfoliation en voie liquide, avec l’utilisation pour la première fois d’un graphite fluoré pour la synthèse de graphène fluoré multi feuillets par voie électrochimique pulsée, et enfin iii) une méthode originale, peu conventionnelle, basée sur l’interaction laser femtoseconde/graphite hautement fluoré pour induire des mécanismes de réduction contrôlée, et surtout d’exfoliation de la matrice. Ces méthodes ont permis de mettre en évidence l’intérêt de la présence de fluor dans la course actuelle pour la synthèse de graphène, et ont montré l’obtention de matériaux graphéniques,possédant une fonction résiduelle fluorée intéressante pour certaines applications. / Its electronic conductivity or its optical transparency are unequaled physicochemicalproperties of graphene which explain the increased number of exfoliation methods based ongraphitic precursors to obtain this material. To overcome the use of a graphite/graphene oxidecharacterized by a poorly controlled surface chemistry, graphite fluorides, with variablecrystallinity and also fluorine concentration, were prepared by fluorination of graphite under puremolecular fluorine atmosphere after optimization of the process parameters. The obtainedprecursors, whether by dynamic or static fluorination, were characterized : X-Ray diffraction, FTIRand Raman spectroscopies for the structure, and their texture probed by Scanning andTransmission Electron Microscopy. After that, three methods of exfoliation were developed, basedon different mechanisms: i) a thermal shock, already known but decomposition mechanisms wererefined in this study, ii) an exfoliation within liquid medium by pulsed electrochemical treatment,using for the first time a fluorinated graphite for the synthesis of few-layered fluorinated grapheneand finally iii) an unconventional method, based on the interaction between femtosecond laser andhighly fluorinated graphite to induce mechanisms like controlled reduction, and especially for thisstudy exfoliation of the matrix. These methods have permit to highlight the interest of fluorine inthe current race for the synthesis of graphene, and have shown the production of graphenematerials, having an interesting fluorinated residual functionalization for some applications.