Nanoparticles (such as, carbon nanotubes, carbon black, clay etc.) have one or more dimensions of the order of 100 nm or less. Owing to very high van der Waals force of attraction, these nanoparticles exist in a highly aggregated state. It is often required to break these aggregates to truly experience the “nanosize” effect for any required end use. There are several strategies proposed for dispersing/exfoliating nanoparticles but limited progress has been made towards controlling their dispersion state. The ability to tailor nanoparticle dispersion state in liquid and solid media can ultimately provide a powerful method for tailoring the properties of solution processed nanoparticle-filled polymer composites. This dissertation reports the use of a variety of stimuli-responsive polymers to control the dispersion state of single-walled carbon nanotubes. Stimuli-responsive polymers exhibit conformational transitions as a function of applied stimulus (like pH, temp, chemical etc.). These variations in conformations of the polymer can be used tailor nanotube dispersion state in water and solid composites.The use of pH and temperature responsive polymers to stabilize/disperse single walled carbon nanotubes (SWNTs) in water is presented. Non-covalent functionalization of SWNTs using pH and temperature responsive polymer show tailored dispersion state as a function of pH and temperature, respectively. Carbon nanotube microstructure in these aqueous suspensions was characterized using several techniques (cryo-TEM, viscosity measurements, uv-vis spectroscopy, zeta potential measurements and settling behavior). Furthermore, nanotube dispersion state in aqueous suspensions is preserved to a large extent in the composites formed by drying these suspensions as evidenced by SEM images and electrical conductivity measurements. Based on the results obtained a mechanism is proposed to explain the tailored dispersion of SWNTs as a functions of applied external stimulus (i.e., pH, temperature). Such stimuli-controlled dispersion of carbon nanotubes could have a variety of applications in nanoelectronics, sensing, and drug and gene delivery systems. Furthermore, this dissertation also contains a published study focused on controlling the dispersion state of carbon black (CB) in epoxy composites using clay.

abstract: Layered chalcogenides are a diverse class of crystalline materials that consist of covalently bound building blocks held together by van der Waals forces, including the transition metal dichalcogenides (TMDCs) and the pnictogen chalcogenides (PCs) among all. These materials, in particular, MoS2 which is the most widely studied TMDC material, have attracted significant attention in recent years due to their unique physical, electronic, optical, and chemical properties that depend on the number of layers. Due to their high aspect ratios and extreme thinness, 2D materials are sensitive to modifications via chemistry on their surfaces. For instance, covalent functionalization can be used to robustly modify the electronic properties of 2D materials, and can also be used to attach other materials or structures. Metal adsorption on the surfaces of 2D materials can also tune their electronic structures, and can be used as a strategy for removing metal contaminants from water. Thus, there are many opportunities for studying the fundamental surface interactions of 2D materials and in particular the TMDCs and PCs. The work reported in this dissertation represents detailed fundamental studies of the covalent functionalization and metal adsorption behavior of layered chalcogenides, which are two significant aspects of the surface interactions of 2D materials. First, we demonstrate that both the Freundlich and Temkin isotherm models, and the pseudo-second-order reaction kinetics model are good descriptors of the reaction due to the energetically inhomogeneous surface MoS2 and the indirect adsorbate-adsorbate interactions from previously attached nitrophenyl (NP) groups. Second, the covalent functionalization using aryl diazonium salts is extended to nanosheets of other representative TMDC materials MoSe2, WS2, and WSe2, and of the representative PC materials Bi2S3 and Sb2S3, demonstrated using atomic force microscopy (AFM) imaging and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). Finally, using AFM and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), it is shown that Pb, Cd Zn and Co form nanoclusters on the MoS2 surface without affecting the structure of the MoS2 itself. The metals can also be thermally desorbed from MoS2, thus suggesting a potential application as a reusable water purification technology. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Materials Science and Engineering 2019

This study reports on the synthesis of N-doped carbon spheres (N-CSs) by a simple synthetic procedure. A horizontal CVD type reactor was used to synthesize N-CSs from pyridine. Depending on the dilution of the pyridine with toluene, a nitrogen content of 0.13-5 mol % was obtained. The use of a vertical CVD reactor gave N-CSs with a N-content of 0.19-3 mol % when an ammonium solution and acetylene were used as reactants. The diameters of carbon spheres were found to be in the range of 40 nm to 1000 nm for both CVD reactors. The diameter can be controlled by varying the flow rate, temperature, time, concentration and the reactor type. The samples were characterized by TEM, HRTEM, elemental analysis, Raman spectroscopy, TGA, PXRD and ESR. We have demonstrated that unsubstituted thiophene can be polymerized by Fe3+-catalyzed oxidative polymerization. The average particle size was about 50 nm, within a narrow particlesize distribution. The undoped carbon spheres (CSs) were reacted with thiophene to give polymer/carbon composites containing polythiophene and carbon nanospheres via chemical oxidative polymerization reaction. Polythiophene molecules were either chemically bonded or physically adsorbed to the surface of carbon spheres. The microstructure and properties of the two types of composites were compared. The thermogravimetric analysis data confirmed that the presence of CSs in the polymer\carbon composites is responsible for the higher thermal stability of the composite material in comparison with pristine polythiophene. The FTIR analysis showed that covalent functionalized nanocomposites exhibit a high intensity of a C-S bond This study reports on the synthesis of N-doped carbon spheres (N-CSs) by a simple synthetic procedure. A horizontal CVD type reactor was used to synthesize N-CSs from pyridine. Depending on the dilution of the pyridine with toluene, a nitrogen content of 0.13-5 mol % was obtained. The use of a vertical CVD reactor gave N-CSs with a N-content of 0.19-3 mol % when an ammonium solution and acetylene were used as reactants. The diameters of carbon spheres were found to be in the range of 40 nm to 1000 nm for both CVD reactors. The diameter can be controlled by varying the flow rate, temperature, time, concentration and the reactor type. The samples were characterized by TEM, HRTEM, elemental analysis, Raman spectroscopy, TGA, PXRD and ESR. We have demonstrated that unsubstituted thiophene can be polymerized by Fe3+-catalyzed oxidative polymerization. The average particle size was about 50 nm, within a narrow particlesize distribution. The undoped carbon spheres (CSs) were reacted with thiophene to give polymer/carbon composites containing polythiophene and carbon nanospheres via chemical oxidative polymerization reaction. Polythiophene molecules were either chemically bonded or physically adsorbed to the surface of carbon spheres. The microstructure and properties of the two types of composites were compared. The thermogravimetric analysis data confirmed that the presence of CSs in the polymer\carbon composites is responsible for the higher thermal stability of the composite material in comparison with pristine polythiophene. The FTIR analysis showed that covalent functionalized nanocomposites exhibit a high intensity of a C-S bondThis study reports on the synthesis of N-doped carbon spheres (N-CSs) by a simple synthetic procedure. A horizontal CVD type reactor was used to synthesize N-CSs from pyridine. Depending on the dilution of the pyridine with toluene, a nitrogen content of 0.13-5 mol % was obtained. The use of a vertical CVD reactor gave N-CSs with a N-content of 0.19-3 mol % when an ammonium solution and acetylene were used as reactants. The diameters of carbon spheres were found to be in the range of 40 nm to 1000 nm for both CVD reactors. The diameter can be controlled by varying the flow rate, temperature, time, concentration and the reactor type. The samples were characterized by TEM, HRTEM, elemental analysis, Raman spectroscopy, TGA, PXRD and ESR. We have demonstrated that unsubstituted thiophene can be polymerized by Fe3+-catalyzed oxidative polymerization. The average particle size was about 50 nm, within a narrow particlesize distribution. The undoped carbon spheres (CSs) were reacted with thiophene to give polymer/carbon composites containing polythiophene and carbon nanospheres via chemical oxidative polymerization reaction. Polythiophene molecules were either chemically bonded or physically adsorbed to the surface of carbon spheres. The microstructure and properties of the two types of composites were compared. The thermogravimetric analysis data confirmed that the presence of CSs in the polymer\carbon composites is responsible for the higher thermal stability of the composite material in comparison with pristine polythiophene. The FTIR analysis showed that covalent functionalized nanocomposites exhibit a high intensity of a C-S bond at 695 cm-1 , which is not observed in the noncovalent functionalized nanocomposites

Les dispositifs bioélectrochimiques utilisent souvent le co-facteur NADH (nicotinamide adénine dinucléotide) comme biomolécule impliquée dans les réactions d’oxydo-réduction avec des enzymes de grand intérêt biochimique, comme par exemple les glucose oxydases ou les déshydrogénases. Il est nécessaire d’utiliser de nouveaux matériaux d’électrode afin de diminuer les sur-potentiels nécessaires au transfert d’électrons avec le système NADH/NAD+ et éviter l’adsorption des produits de la réaction à la surface de l’électrode (biofouling). Les nanotubes de carbone (NTCs) constituent un matériau conducteur de grande aire spécifique qui semble prometteur pour modifier ainsi la surface des électrodes. Ce travail de thèse a consisté à développer de nouvelles méthodes de greffage covalent de groupements fonctionnels électro-actifs vis-à-vis du système NADH/NAD+ en contrôlant les différentes étapes du procédé avec un protocole particulièrement poussé d’analyses physico-chimiques impliquant les spectroscopies de diffusion Raman, d’absorption infrarouge, de photo-électrons X, les microscopies électroniques à transmission, l’ellipsométrie spectroscopique et les analyses thermogravimétriques et de volumétrie d’adsorption. Nous avons développé un procédé reposant sur une première étape d’oxydation des NTCs par assistance micro-ondes dans des milieux acides dilués. Ceci permet de transformer les défauts existant à la paroi des nanotubes (atomes de carbone en hybridation sp3) pour les convertir en fonction acides carboxyliques, qui serviront dans les étapes ultérieures du procédé au greffage covalent des groupements électro-actifs. Ainsi l’intégrité structurale des NTCs, et donc leurs excellentes propriétés électroniques et mécaniques, sont préservées. Le succès de cette approche est pleinement démontré dans ce travail aussi bien en utilisant des nanotubes monoparois purifiés que des nanotubes multiparois. Un net effet électrocatalytique est obtenu avec les groupes fonctionnels dérivés du ferrocène. On montre également le rôle crucial de la nature du bras espaceur reliant les groupes électro-actifs à la paroi des NTCs. Ce travail a permis de mettre au point une méthode générale de greffage covalent des NTCs et son contrôle étape par étape. On montre enfin en perspective de ce travail qu’il est possible de greffer directement la molécule de NAD+ à la surface des NTCs. / Bioelectrochemical devices often use the NADH co-factor (nicotinamide adenine dinucleotide) as a biomolecule involved in oxidation-reduction reactions with enzymes of high biochemical interest, such as glucose oxidases or dehydrogenases. It is necessary to use new electrode materials to reduce the over-potentials required for electron transfer with the NADH/NAD+ system and avoid adsorption of the reaction products to the electrode surface (biofouling). Carbon nanotubes (CNTs) are a conductive material with a large specific surface area that seems promising for modifying the surface of electrodes. This thesis work consisted in developing new methods for covalent grafting of electro-active functional groups with respect to the NADH/NAD+ system by controlling the various stages of the process with a particularly advanced physico-chemical analysis protocol involving Raman scattering spectroscopy, infrared absorption, X-ray photoelectron spectroscopy, transmission electron microscopy, spectroscopic ellipsometry and thermogravimetric and volumetric adsorption analyses. We have developed a process based on a first step of oxidation of the CNTs by microwave assistance in diluted acid media. This makes it possible to transform existing defects in the wall of the nanotubes (carbon atoms in sp3 hybridization) into carboxylic acid functions, which will be used in the subsequent steps of the process for covalent grafting of electro-active groups. Thus, the structural integrity of the CNTs, and therefore their excellent electronic and mechanical properties, are preserved. The success of this approach is fully demonstrated in this work both by using purified single-walled nanotubes and multi-walled nanotubes. A clear electrocatalytic effect is obtained with the functional groups derived from ferrocene. The crucial role of the nature of the spacer arm connecting the electro-active units to the wall of the CNTs is also shown. This work made it possible to develop a general method for covalent grafting of CNTs and its step-by-step control. Finally, we show in perspective of this work that it is possible to directly graft the NAD+ molecule onto the surface of the CNTs.

Covalent functionalization significantly enhances the utility of carbon nanomaterials for many applications. In this study, we investigated the functionalization of double nitrogen doped graphene by the addition of different alkyl and phenyl functional groups at N atoms in syn and anti-configurations. Density functional theory calculations at the B3LYP/def-SV(P) level were employed to understand the syn versus anti preference on functionalization. The bond lengths, bond angles, relative energies, deformation energies and HOMO-LUMO energy gaps, of the syn and anti-configurations of the functionalized 2N-doped graphenes, have been compared. Functionalization with two groups leads to considerable deformation of 2N-doped graphene, which is confirmed by the change in C–N bond lengths by attachment of the functional groups. The attachment of larger functional groups deforms 2N-doped graphene to a greater extent than smaller functional groups. The HOMO-LUMO energy gap values are the least for the alkyl functionalized products, indicating that these structures are kinetically less stable than the phenyl functionalized products.

Le sujet général de cette thèse est l’étude de la fonctionnalisation covalente des nanotubes de carbone (CNT) et son application en électronique. Premièrement, une introduction au sujet est présentée. Elle discute des propriétés des CNT, des différentes sortes de fonctionnalisation covalente ainsi que des principales techniques de caractérisation utilisées au cours de la thèse. Deuxièmement, les répercussions de la fonctionnalisation covalente sur les propriétés des nanotubes de carbone monoparoi (SWNT) sont étudiées. Deux types de fonctionnalisation sont regardés, soit le greffage de groupements phényles et le greffage de groupements dichlorométhylènes. Une diminution de l’absorption optique des SWNT dans le domaine du visible-proche infrarouge est observée ainsi qu’une modification de leur spectre Raman. De plus, pour les dérivés phényles, une importante diminution de la conductance des nanotubes est enregistrée. Troisièmement, la réversibilité de ces deux fonctionnalisations est examinée. Il est montré qu’un recuit permet de résorber les modifications structurales et retrouver, en majorité, les propriétés originales des SWNT. La température de défonctionnalisation varie selon le type de greffons, mais ne semble pas affectée par le diamètre des nanotubes (diamètre examinés : dérivés phényles, Ømoyen= 0,81 nm, 0,93 nm et 1,3 nm; dérivés dichlorométhylènes, Ømoyen = 0,81 nm et 0,93 nm). Quatrièmement, la polyvalence et la réversibilité de la fonctionnalisation covalente par des unités phényles sont exploitées afin de développer une méthode d’assemblage de réseaux de SWNT. Celle-ci, basée sur l’établissement de forces électrostatiques entre les greffons des SWNT et le substrat, est à la fois efficace et sélective quant à l’emplacement des SWNT sur le substrat. Son application à la fabrication de dispositifs électroniques est réalisée. Finalement, la fonctionnalisation covalente par des groupements phényles est appliquée aux nanotubes de carbone à double paroi (DWNT). Une étude spectroscopique montre que cette dernière s’effectue exclusivement sur la paroi externe. De plus, il est démontré que la signature électrique des DWNT avant et après la fonctionnalisation par des groupements phényles est caractéristique de l’agencement nanotube interne@ nanotube externe. / The general subject of this thesis is the covalent functionalization of carbon nanotubes and its applications in electronics. First, the properties of the carbon nanotubes, their functionalization, and the principal techniques used to characterize them are presented. Second, the repercussions of the grafting of phenyl addends and dichloromethylene addends on the properties of single-wall carbon nanotubes (SWNT) are investigated. A decrease of light absorption and a modification of the Raman spectra of the nanotubes are observed as well as, for the phenyl derivatives, an important loss of their electrical conductivity. Third, the reversibility of the functionalization is examined. The study shows that the addends are detached from the sidewall upon annealing, leading to the reconstruction of the graphene structure. Most of the original properties of the SWNT are then recovered. In addition, it is observed that the temperature of defunctionalization depends on the nature of the addends, but it is not influenced by the diameter of the SWNT (Range studied: phenyl derivatives, Ømoyen= 0,81 nm, 0,93 nm et 1,3 nm; dichlorométhylènes derivatives, Ømoyen = 0,81 nm et 0,93 nm). Fourth, a new method to reliably self-assemble networks of dense SWNT onto patterned substrates is presented. The method is based on covalent functionalization and electrostatic interactions. Its suitability for making electronic devices is demonstrated. Last, this thesis investigated the covalent functionalization of double-wall carbon nanotubes (DWNT). A spectroscopic study revealed that the grafting of the phenyl addends occurs exclusively on the outer wall. Furthermore, the identification of the metallic or semiconductor character of each wall of the DWNT is realized using electrical measurements taken before and after the functionalization.

Les nanotubes de carbone et le graphène sont des nanostructures de carbone hybridé en sp2 dont les propriétés électriques et optiques soulèvent un intérêt considérable pour la conception d’une nouvelle génération de dispositifs électroniques et de matériaux actifs optiquement. Or, de nombreux défis demeurent avant leur mise en œuvre dans des procédés industriels à grande échelle. La chimie des matériaux, et spécialement la fonctionnalisation covalente, est une avenue privilégiée afin de résoudre les difficultés reliées à la mise en œuvre de ces nanostructures. La fonctionnalisation covalente a néanmoins pour effet de perturber la structure cristalline des nanostructures de carbone sp2 et, par conséquent, d’affecter non seulement lesdites propriétés électriques, mais aussi les propriétés optiques en émanant. Il est donc primordial de caractériser les effets des défauts et du désordre dans le but d’en comprendre les conséquences, mais aussi potentiellement d’en exploiter les retombées. Cette thèse traite des propriétés optiques dans l’infrarouge des nanotubes de carbone et du graphène, avec pour but de comprendre et d’expliquer les mécanismes fondamentaux à l’origine de la réponse optique dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Soumise à des règles de sélection strictes, la spectroscopie infrarouge permet de mesurer la conductivité en courant alternatif à haute fréquence des matériaux, dans une gamme d’énergie correspondant aux vibrations moléculaires, aux modes de phonons et aux excitations électroniques de faible énergie. Notre méthode expérimentale consiste donc à explorer un espace de paramètres défini par les trois axes que sont i. la dimensionnalité du matériau, ii. le potentiel chimique et iii. le niveau de désordre, ce qui nous permet de dégager les diverses contributions aux propriétés optiques dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la spectroscopie infrarouge des nanotubes de carbone monoparois sous l’effet tout d’abord du dopage et ensuite du niveau de désordre. Premièrement, nous amendons l’origine couramment acceptée du spectre vibrationnel des nanotubes de carbone monoparois. Par des expériences de dopage chimique contrôlé, nous démontrons en effet que les anomalies dans lespectre apparaissent grâce à des interactions électron-phonon. Le modèle de la résonance de Fano procure une explication phénoménologique aux observations. Ensuite, nous établissons l’existence d’états localisés induits par la fonctionnalisation covalente, ce qui se traduit optiquement par l’apparition d’une bande de résonance de polaritons plasmons de surface (nanoantenne) participant au pic de conductivité dans le térahertz. Le dosage du désordre dans des films de nanotubes de carbone permet d’observer l’évolution de la résonance des nanoantennes. Nous concluons donc à une segmentation effective des nanotubes par les greffons. Enfin, nous montrons que le désordre active des modes de phonons normalement interdits par les règles de sélection de la spectroscopie infrarouge. Les collisions élastiques sur les défauts donnent ainsi accès à des modes ayant des vecteurs d’onde non nuls. Dans une deuxième partie, nous focalisons sur les propriétés du graphène. Tout d’abord, nous démontrons une méthode d’électrogreffage qui permet de fonctionnaliser rapidement et à haute densité le graphène sans égard au substrat. Par la suite, nous utilisons l’électrogreffage pour faire la preuve que le désordre active aussi des anomalies dépendantes du potentiel chimique dans le spectre vibrationnel du graphène monocouche, des attributs absents du spectre d’un échantillon non fonctionnalisé. Afin d’expliquer le phénomène, nous présentons une théorie basée sur l’interaction de transitions optiques intrabandes, de modes de phonons et de collisions élastiques. Nous terminons par l’étude du spectre infrarouge du graphène comportant des îlots de bicouches, pour lequel nous proposons de revoir la nature du mécanisme de couplage à l’œuvre à la lumière de nos découvertes concernant le graphène monocouche. / Carbon nanotubes and graphene are sp2 hybridized carbon nanostructures which electrical and optical properties raise considerable interest for the design of a new generation of electronic devices and optically active materials. However, many challenges remain before their implementation in industrial processes on a large scale. Materials chemistry, especially covalent functionalization, is a privileged avenue to resolve the difficulties related to the processing of these nanostructures. Covalent functionalization, however, disrupts the sp2 carbon nanostructures’ crystalline structure, and pertubs not only said electrical properties, but also the deriving optical properties. It is therefore essential to characterize the effects of defects and disorder in order to understand their consequences, but also to potentially exploit the benefits. This thesis deals with the optical properties in the infrared of carbon nanotubes and graphene, with the aim to understand and explain the fundamental mechanisms at the origin of the optical response in the infrared of sp2 carbon nanostructures. Subject to strict selection rules, infrared spectroscopy measures the high frequency AC conductivity of materials in an energy range corresponding to molecular vibrations, phonon modes and low energy electronic excitations. Our experimental method is therefore to explore a parameter space defined by the three axes that are i. the dimensionality of the material, ii. the chemical potential, and iii. the disorder level, which allows us to identify the various contributions to optical properties in the infrared of sp2 carbon nanostructures. At first, we focus on the infrared spectroscopy of single-walled carbon nanotubes as a function of doping and disorder level. We start by amending the commonly accepted origin of single-walled carbon nanotubes vibrational spectra. Using controlled chemical doping experiments, we show that the anomalies in the carbon nanotube spectra appear through electron-phonon interactions. The Fano resonance model provides a phenomenological explanation for the observations. Then, we establish the existence of localized states induced by covalent functionalization, which appear as a surface plasmon polariton resonance (nanoantenna) contributing to the terahertz conductivity peak. Control of the disorder level in carbon nanotube films allows us to observe the evolution of the nanoantenna resonance. We therefore conclude to an effective segmentation of the nanotubes by the grafts. Finally, we show that disorder activates phonon modes that are usually forbidden by infrared spectroscopy’s selection rules. Disorder-induced infrared activity originates from elastic collisions on defects that give access to phonon modes with non-zero wave vectors. In a second part, we focus on the properties of graphene. First, we demonstrate an electrografting method to rapidly functionalize graphene with high-density, regardless of the substrate. Subsequently, we use electrografting to show that disorder activates chemical potential dependent anomalies in the vibrational spectra of single-layer graphene. These anomalies are absent in the spectra of pristine samples. In order to explain this phenomenon, we present a theory based on the interaction of intraband optical transitions, phonon modes and elastic collisions. We conclude by studying the infrared spectra of graphene with bilayer islands, for which we propose to review the nature of the coupling mechanism in the light of our findings on single-layer graphene.

Le graphène est une nanostructure de carbone hybridé sp2 dont les propriétés électroniques et optiques en font un matériau novateur avec un très large potentiel d’application. Cependant, la production à large échelle de ce matériau reste encore un défi et de nombreuses propriétés physiques et chimiques doivent être étudiées plus en profondeur pour mieux les exploiter. La fonctionnalisation covalente est une réaction chimique qui a un impact important dans l’étude de ces propriétés, car celle-ci a pour conséquence une perte de la structure cristalline des carbones sp2. Néanmoins, la réaction a été très peu explorée pour ce qui est du graphène déposé sur des surfaces, car la réactivité chimique de ce dernier est grandement dépendante de l’environnement chimique. Il est donc important d’étudier la fonctionnalisation de ce type de graphène pour bien comprendre à la fois la réactivité chimique et la modification des propriétés électroniques et optiques pour pouvoir exploiter les retombées. D’un autre côté, les bicouches de graphène sont connues pour avoir des propriétés très différentes comparées à la monocouche à cause d’un empilement des structures électroniques, mais la croissance contrôlée de ceux-ci est encore très difficile, car la cinétique de croissance n’est pas encore maîtrisée. Ainsi, ce mémoire de maîtrise va porter sur l’étude de la réactivité chimique du graphène à la fonctionnalisation covalente et de l’étude des propriétés optiques du graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué des croissances de graphène en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Après avoir réussi à obtenir du graphène monocouche, nous faisons varier les paramètres de croissance et nous nous rendons compte que les bicouches apparaissent lorsque le gaz carboné nécessaire à la croissance reste présent durant l’étape de refroidissement. À partir de cette observation, nous proposons un modèle cinétique de croissance des bicouches. Ensuite, nous effectuons une étude approfondie de la fonctionnalisation du graphène monocouche et bicouche. Tout d’abord, nous démontrons qu’il y a une interaction avec le substrat qui inhibe grandement le greffage covalent sur la surface du graphène. Cet effet peut cependant être contré de plusieurs façons différentes : 1) en dopant chimiquement le graphène avec des molécules réductrices, il est possible de modifier le potentiel électrochimique afin de favoriser la réaction; 2) en utilisant un substrat affectant peu les propriétés électroniques du graphène; 3) en utilisant la méthode d’électrogreffage avec une cellule électrochimique, car elle permet une modulation contrôlée du potentiel électrochimique du graphène. De plus, nous nous rendons compte que la réactivité chimique des bicouches est moindre dû à la rigidité de structure due à l’interaction entre les couches. En dernier lieu, nous démontrons la pertinence de la spectroscopie infrarouge pour étudier l’effet de la fonctionnalisation et l’effet des bicouches sur les propriétés optiques du graphène. Nous réussissons à observer des bandes du graphène bicouche dans la région du moyen infrarouge qui dépendent du dopage. Normalement interdites selon les règles de sélection pour la monocouche, ces bandes apparaissent néanmoins lorsque fonctionnalisée et changent grandement en amplitude dépendamment des niveaux de dopage et de fonctionnalisation. / Graphene is a sp2 hybridized carbon nanostructure with incredible electronical and optical properties that make it interesting for various applications. Its large scale production is still a challenge and there is still some physical and chemical properties that need further studies to better exploit them. Covalent functionalization is a chemical reaction that can be used as a tool to study those properties because it breaks the sp2 crystalline structure, so it modulates the properties of graphene. There are not many studies of that reaction on graphene deposited on a surface because the chemical reactivity depends greatly on the chemical environment. That is why it is important to study the functionalization of graphene on surfaces to understand chemical reactivity and the modification of electronical and optical properties in order to potentially exploit the benefits. This master thesis is focusing on the chemical reactivity of graphene to covalent functionalization and the study of its optical properties. First, we grow graphene using the chemical vapour deposition method. After the growth of monolayer, we change the parameters and we observe the formation of bilayers if the carbonated gas is present during the cooling step of the growth. From that observation, we propose a kinetic model of bilayer growth. Then we proceed to a detailed study of monolayer and bilayer graphene functionalization. First, we demonstrate that there is a substrate effect that inhibits greatly the grafting of organic molecules on the graphene surface. However it is possible to overcome this substrate effect by different ways: 1) chemical doping of the graphene with reducing molecules can modify the electrochemical potential to enhance the reaction; 2) transferring graphene on a substrate that doesn’t affect the electronical properties of graphene; 3) the use of an electrografting method with an electrochemical cell can also modulate the potential so the efficiency of the reaction is enhanced. Also, we observe that the chemical reactivity of bilayer graphene is lower compared to the monolayer because of structural rigidity caused by interlayer interaction. Finally, we demonstrate that the infrared spectroscopy is a powerful tool to study the effect of functionalization and the effect of bilayers on the optical properties of graphene. We observe some bands in the region of the mid-IR, while the infrared selection rules don’t predict any. Also, the shape of those bands change greatly depending on the doping level when there is bilayers or when the graphene is functionalized.

Le premier chapitre de cette thèse présente l’intérêt et la problématique de la fonctionnalisation du graphène. L’état de l’art actuel de cette thématique est présenté. Dans un deuxième chapitre, nous discutons de façon détaillée des techniques expérimentales. Le chapitre 3 est centré sur la modification du graphène par réaction de cycloaddition par molécules dérivées de maleimides. Dans cette étude, nous démontrons le greffage covalent de molécules sur graphène épitaxié sans défaut sur SiC, ainsi qu’une tendance d’ouverture de bande interdite à l’aide de caractérisations par spectroscopie Raman, XPS, ARPS et STM. L’augmentation du rapport ID /IG des pics Raman et des liaisons sp3 sur l’échantillon en fonction de la durée de réaction chimique confirme le greffage. Par analogie avec les bords de marche de type « zigzag » ou « armchair », l’étude des ondes de densité de charge générées sur le graphène par les molécules permet de déterminer la nature des sous-réseaux mis en jeu lors du greffage. Dans le chapitre 4, nous étudions l’intercalation du terbium dans le graphène épitaxié. Après intercalation, l’ARPES montre une structure de bande complexe dont une composante correspond à une monocouche de graphène fortement dopée n. Nous avons pu isoler cette composante et montrer qu’elle provient du découplage de la couche tampon du substrat par le Terbium. Ces résultats sont confirmés par les données XPS. Le graphène avec Terbium intercalé produit également un réseau de lignes visibles par imagerie STM, qui a l’échelle atomique à basse tension montrent les 6 atomes de carbone de la structure en nid d’abeille, confirmant ainsi la transformation de la couche tampon en graphène. / The first chapter of this thesis explains the general motivation and problematic of graphene functionalization. It presents the state of the art of current research in this field. In the second chapter we discuss the experimental techniques in detail. Chapter 3 of this thesis work focuses on covalent modification of graphene by cycloaddition reaction of maleimide derivative molecules. In these studies we have confirmed the grafting of molecules on epitaxial defect free graphene on SiC and a tendency to open a gap with the help of Raman spectroscopy, XPS, ARPES and STM studies. An increase in the ID /IG ratio for Raman signature and sp3 bonding on the sample with increasing reaction time confirmed the reaction of molecules. By drawing an analogy with the standing waves obtained on armchair step edges of graphene and standing waves generated by molecules it was possible to determine the location of grafted molecules on the graphene lattice. In chapter 4, studies on terbium intercalation of epitaxial graphene are discussed. After intercalation a complex band structure was observed by ARPES with one spectra corresponding to highly n-doped graphene monolayer. We were able to isolate this highly n-doped graphene and confirmed its origin from decoupling of buffer layer and making it graphene like. These results are also supported by the XPS data. STM images on Terbium intercalated on buffer layer samples showed an interesting pattern of lines, atomic resolution scans at low bias voltage on these lines showed 6 atoms of hexagon confirming the transformation of buffer layer into graphene layer.

Le sujet général de cette thèse est l’étude de la fonctionnalisation covalente des nanotubes de carbone (CNT) et son application en électronique. Premièrement, une introduction au sujet est présentée. Elle discute des propriétés des CNT, des différentes sortes de fonctionnalisation covalente ainsi que des principales techniques de caractérisation utilisées au cours de la thèse. Deuxièmement, les répercussions de la fonctionnalisation covalente sur les propriétés des nanotubes de carbone monoparoi (SWNT) sont étudiées. Deux types de fonctionnalisation sont regardés, soit le greffage de groupements phényles et le greffage de groupements dichlorométhylènes. Une diminution de l’absorption optique des SWNT dans le domaine du visible-proche infrarouge est observée ainsi qu’une modification de leur spectre Raman. De plus, pour les dérivés phényles, une importante diminution de la conductance des nanotubes est enregistrée. Troisièmement, la réversibilité de ces deux fonctionnalisations est examinée. Il est montré qu’un recuit permet de résorber les modifications structurales et retrouver, en majorité, les propriétés originales des SWNT. La température de défonctionnalisation varie selon le type de greffons, mais ne semble pas affectée par le diamètre des nanotubes (diamètre examinés : dérivés phényles, Ømoyen= 0,81 nm, 0,93 nm et 1,3 nm; dérivés dichlorométhylènes, Ømoyen = 0,81 nm et 0,93 nm). Quatrièmement, la polyvalence et la réversibilité de la fonctionnalisation covalente par des unités phényles sont exploitées afin de développer une méthode d’assemblage de réseaux de SWNT. Celle-ci, basée sur l’établissement de forces électrostatiques entre les greffons des SWNT et le substrat, est à la fois efficace et sélective quant à l’emplacement des SWNT sur le substrat. Son application à la fabrication de dispositifs électroniques est réalisée. Finalement, la fonctionnalisation covalente par des groupements phényles est appliquée aux nanotubes de carbone à double paroi (DWNT). Une étude spectroscopique montre que cette dernière s’effectue exclusivement sur la paroi externe. De plus, il est démontré que la signature électrique des DWNT avant et après la fonctionnalisation par des groupements phényles est caractéristique de l’agencement nanotube interne@ nanotube externe. / The general subject of this thesis is the covalent functionalization of carbon nanotubes and its applications in electronics. First, the properties of the carbon nanotubes, their functionalization, and the principal techniques used to characterize them are presented. Second, the repercussions of the grafting of phenyl addends and dichloromethylene addends on the properties of single-wall carbon nanotubes (SWNT) are investigated. A decrease of light absorption and a modification of the Raman spectra of the nanotubes are observed as well as, for the phenyl derivatives, an important loss of their electrical conductivity. Third, the reversibility of the functionalization is examined. The study shows that the addends are detached from the sidewall upon annealing, leading to the reconstruction of the graphene structure. Most of the original properties of the SWNT are then recovered. In addition, it is observed that the temperature of defunctionalization depends on the nature of the addends, but it is not influenced by the diameter of the SWNT (Range studied: phenyl derivatives, Ømoyen= 0,81 nm, 0,93 nm et 1,3 nm; dichlorométhylènes derivatives, Ømoyen = 0,81 nm et 0,93 nm). Fourth, a new method to reliably self-assemble networks of dense SWNT onto patterned substrates is presented. The method is based on covalent functionalization and electrostatic interactions. Its suitability for making electronic devices is demonstrated. Last, this thesis investigated the covalent functionalization of double-wall carbon nanotubes (DWNT). A spectroscopic study revealed that the grafting of the phenyl addends occurs exclusively on the outer wall. Furthermore, the identification of the metallic or semiconductor character of each wall of the DWNT is realized using electrical measurements taken before and after the functionalization.