Depuis une vingtaine d’années, le graphène est étudié à travers le monde pour ses propriétés
opto-électroniques remarquables. Malgré tous ces efforts et la simplicité apparente de ce feuillet
monoatomique de carbone, sa physique subtile continue de surprendre et reste à découvrir.
Cette étude exploratoire vise à évaluer l’effet du dopage et de l’hydrogénation sur le spectre
Raman du graphène afin de mieux comprendre les propriétés électroniques sous-jacentes. Pour ce
faire, on utilise le RIMA, un imageur Raman hyperspectral qui se distingue des montages Raman
traditionnels par sa capacité à produire rapidement des cartes Raman d’une centaine de microns
de côté, ce qui permet de résoudre spatialement les propriétés de l’échantillon en plus d’avoir un
nombre statistique de spectres.
Les échantillons sont produits intégralement dans nos laboratoires et chaque procédé est
contrôlé et détaillé dans ce mémoire. Le graphène est synthétisé par dépôt chimique en phase
vapeur (Chemical Vapor Deposition, CVD) puis exposé à un faisceau d’hydrogène atomique à
haute température pour former des liens C-H sur la surface. Le dopage est généré et contrôlé
en immergeant simplement l’échantillon dans une solution de pH variable en ayant préalablement
déposé des nanoparticules de platine à sa surface. L’équilibre chimique impliquant le couple rédox
Pt/PtO permet de fixer son énergie à un pH donné et d’effectuer un transfert de charge efficace
avec le graphène. On obtient ainsi un dopage ajustable, allant d’un fort dopage p à un faible dopage
n.
Nos résultats révèlent la présence d’un mécanisme de dégradation inattendu relié à l’exposition
continue au laser qui suggère une migration de l’hydrogène à la surface pour se concentrer dans la
région irradiée. L’évolution des propriétés optiques laisse croire qu’on atteint une densité suffisante
d’hydrogène pour modifier la structure de bandes du graphène et le rendre significativement
semi-conducteur. Les cartes Raman ont aussi révélé que l’hydrogénation ne semble pas homogène à
l’échelle de nos mesures. La densité de défauts a été quantifiée avec deux méthodes différentes qui
sont généralement en accord.
Au niveau du dopage, notre méthode ne semble pas produire un transfert de charges aussi
important que prévu par la loi de Nernst, ce qui pourrait être expliqué par un mauvais contact
entre le platine et le graphène. Par contre, on observe en général les tendances prévues dans la
littérature, mais avec un décalage en énergie qui pourrait être expliqué par une augmentation du
travail de sortie du graphène de 100-200 meV après hydrogénation. / For the past twenty years, graphene has been studied worldwide for its remarkable optoelectronic
properties. Despite all these efforts and the apparent simplicity of this monoatomic sheet of
carbon, its subtle physics continues to surprise and remains to be discovered.
The aim of this exploratory study is to assess the effect of doping and hydrogenation on the
Raman spectrum of graphene, in order to better understand the underlying electronic properties.
To do this, we are using RIMA, a hyperspectral Raman imager that differs from traditional Raman
setups in its ability to rapidly produce Raman maps of around 100 microns on a side, enabling us
to spatially resolve the properties of the sample in addition to having a statistical number of spectra.
The samples are produced entirely in our laboratories, and each process is controlled and detailed
in this thesis. Graphene is synthesized by chemical vapor deposition (CVD), then exposed to a
high-temperature atomic hydrogen beam to form C-H bonds on the surface. Doping is generated
and controlled simply by immersing the sample in a solution of variable pH, having previously deposited
platinum nanoparticles on its surface. The chemical equilibrium involving the redox couple
Pt/PtO enables its energy to be fixed for a given pH and an efficient charge transfer to take place
with the graphene. This results in an adjustable doping, ranging from high p-doping to low n-doping.
Our results reveal the presence of an unexpected degradation mechanism linked to continuous
laser exposure, suggesting hydrogen migration across the surface to concentrate in the irradiated
region. The evolution of optical properties suggests that a sufficient density of hydrogen is reached
to modify the band structure of graphene and render it significantly semiconducting. Raman
maps also revealed that hydrogenation does not appear to be homogeneous at the scale of our
measurements. Defect density was quantified using two different methods which are in general
agreement.
In terms of doping, our method does not seem to produce as much charge transfer as predicted
by Nernst’s law, which could be explained by poor contact between platinum and graphene. On the
other hand, we generally observe the trends predicted in the literature, but with an energy shift that
could be explained by an increase in graphene work function of 100-200 meV after hydrogenation.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:umontreal.ca/oai:papyrus.bib.umontreal.ca:1866/32723 |
| Date | 08 1900 |
| Creators | Godbout, Émile |
| Contributors | Martel, Richard |
| Source Sets | Université de Montréal |
| Language | fra |
| Detected Language | French |
| Type | thesis, thèse |
| Format | application/pdf |
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