Les travaux de recherche menés dans cette thèse de doctorat se sont focalisés sur la compréhension des interactions graphène-plasma dans le cas de l’exposition de graphène polycristallin à un plasma d’argon pouvant contenant du diborane (B2H6). Une attention particulière est portée sur la cinétique de génération de dommage dans un plasma d’argon pur. Ainsi dans le cas d’un plasma continu, l’absence de seuil en énergie pour la génération de dommage due à un bombardement ionique est mis en évidence. Ceci ne peut s’expliquer que par une gravure à deux étapes, facilitée par la densité ionique élevée caractéristique des plasmas inductifs opérés en mode H. La caractérisation Raman des échantillons exposés au plasma montre une large distribution sur la petite zone sondée. Afin de relier ces fluctuations à l’état initial du graphène, l’imagerie Raman (RIMA) est adaptée dans le but d’extraire des données quantitatives sur l’état du graphène et utilisée pour le reste des travaux. Par la suite, l’étude temporelle des plasmas pulsés en puissance permet de trouver des conditions opératoires avec une fluence ionique drastiquement diminuée. Les traitements subséquents combinés aux analyses RIMA ont permis de suivre l’évolution de l’état du graphène et de distinguer l’état des joints du graphène des domaines de croissance. Ainsi, pour la première fois, l’autoréparation des joints de grains dans un matériau 2D est mis en évidence expérimentalement. Cet effet, théorisé dans les matériaux 3D mais difficilement observé expérimentalement, était effectivement prédis dans le cas du graphène. De plus, un contrôle fin des conditions opératoires du plasma pulsé d’argon a permis d’extraire des paramètres plasmas dans lesquels les métastables d’argons puis les photons VUV émis par les états résonants de l’argon sont les principaux vecteurs d’énergie. Suivant la même méthodologie que précédemment, ces traitements ont mis en lumière les rôles respectifs des ions, des métastables et des photons VUV dans la transmission d’énergie du graphène. Enfin, l’introduction de 5% de diborane a pour conséquence une modification radicale des paramètres physique du plasma. L’exposition de graphène à ce graphène à ce plasma démontre l’intérêt de cette technique pour l’incorporation élevé de bore tout en minimisant la génération de dommages / The research realized in this PhD thesis focuses on the understanding of plasma-graphene interactions during exposure of polycrystalline graphene films to a low-pressure argon RF plasma containing diborane (B2H6). A particular attention is devoted to the kinetics driving the damage formation dynamics. In the case of a continuous, argon plasma, the absence of energy threshold for the production of ion-induced damage is demonstrated. This is explained by two-step etching, facilitated by the high number density of charged species in the H-mode of RF plasmas. Raman characterization of plasma-treated graphene films shows a wide distribution over the small area surveyed. In order to link these fluctuations to the initial state of graphene, Raman imaging (RIMA) is adapted to extract quantitative data on the state of graphene before and after plasma treatment. Subsequently, the temporal study of argon RF plasmas in the pulsed regime makes it possible to find operating conditions with a drastically reduced fluence of charged species compared to the continuous regime; in combination with RIMA studies, this allows temporally- and spatially-resolved investigations of plasma-graphene interactions. For the first time, a preferential self-healing of ion-irradiation damage at grain boundaries of graphene films is experimentally demonstrated. Moreover, by using several electrical and optical diagnostics of the argon plasma in the pulsed regime, it is possible to determine operating conditions in which either the ions, the metastables or the VUV photons emitted by the resonant states become the main energy vectors. From these experiments, the respective roles of each of these species in the physics of plasma-graphene interactions could be highlighted. Finally, the introduction of 5% of diborane into the argon plasma induces a radical modification of the physicochemical properties of the plasma. Exposure of graphene films to this highly reactive plasma reveals high boron incorporation with minimal ion and hydrogen damage.

Une sonde électrostatique de Langmuir cylindrique a été utilisée pour caractériser une post-décharge d’un plasma d’ondes de surface de N2-O2 par la mesure de la densité des ions et électrons ainsi que la température des électrons dérivée de la fonction de distribution en énergie des électrons (EEDF). Une densité maximale des électrons au centre de la early afterglow de l’ordre de 1013 m-3 a été déterminée, alors que celle-ci a chuté à 1011 m-3 au début de la late afterglow. Tout au long du profil de la post-décharge, une densité des ions supérieure à celle des électrons indique la présence d’un milieu non macroscopiquement neutre. La post-décharge est caractérisée par une EEDF quasi maxwellienne avec une température des électrons de 0.5±0.1 eV, alors qu’elle grimpe à 1.1 ±0.2 eV dans la early afterglow due à la contribution des collisions vibrationnelles-électroniques (V-E) particulièrement importantes. L’ajout d’O2 dans la décharge principale entraîne un rehaussement des espèces chargées et de la température des électrons suivi d’une chute avec l’augmentation de la concentration d’O2. Le changement de la composition électrique de la post-décharge par la création de NO+ au détriment des ions N2+ est à l’origine du phénomène. Le recours à cette post-décharge de N2 pour la modification des propriétés d’émission optique de nanofils purs de GaN et avec des inclusions d’InGaN a été étudié par photoluminescence (PL). Bien que l’émission provenant des nanofils de GaN et de la matrice de GaN recouvrant les inclusions diminue suite à la création de sites de recombinaison non radiatifs, celle provenant des inclusions d’InGaN augmente fortement. Des mesures de PL par excitation indiquent que cet effet n’est pas attribuable à un changement de l’absorption de la surface de GaN. Ceci suggère un recuit dynamique induit par la désexcitation des métastables de N2 suite à leur collision à la surface des nanofils et la possibilité de passiver les défauts de surface tels que des lacunes d’azote par l’action d’atomes de N2 réactifs provenant de la post-décharge. L’incorporation d’O2 induit les mêmes effets en plus d’un décalage vers le rouge de la bande d’émission des inclusions, suggérant l’action des espèces d’O2 au sein même des nanostructures. / A cylindrical electrostatic Langmuir probe was used to characterize the flowing afterglow of a N2-O2 surface wave plasma. The spatial distribution of the number density of positive and electrons as well as the EEDF were measured. A maximum of the number density of electrons in the mid 1013 m-3 was obtained in the center of the early afterglow, while it decreased at 1011 m-3 early in the late afterglow, thus indicating non-macroscopically neutral media all along the flowing afterglow. It is characterized by an EEDF close to a Maxwellian with an electron temperature of 0.5±0.1 eV, while it increased at 1.1±0.2 eV in the early afterglow due to the contribution of important vibration-electron collisions. After addition of small amounts of O2 in the main N2 microwave discharge, the charged particles densities and electron temperature first strongly increased then decreased with increasing O2 concentration. A change in the charged population in the afterglow by the creation of NO+ to the detriment of the N2+ ions is responsible of this phenomenon. This N2 flowing afterglow was later used for plasma-induced modification of pure GaN nanowires and InGaN/GaN dot-in-a-wire heterostructures and characterized by PL. While the band edge emission from GaN nanowires and the GaN matrix of the InGaN/GaN nanowires strongly decreased due to the creation of non-radiative recombination centers in the near-surface region, the emission from the InGaN inclusions strongly increased. PL excitation measurements show that this increase cannot be explained by a plasma-induced shift of the GaN absorption edge. Instead a dynamical annealing process induced by the desexcitation of N2 metastables following their collision with the nanowire surface and the passivation of surface defects such as nitrogen vacancies by the highly reactive nitrogen atoms in the afterglow are responsible of the increase of the PL intensity. The addition of O2 gives the same results as the pure N2 treatment, but a redshift of the emission band related to the InGaN inclusions is also observed, suggesting an important contribution of the oxygen species.

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