Synthesis and characterization of quantum devices based on graphene
Graphène pour la nanoélectronique : de la croissance CVD jusqu'à la suparconductivité de proximité à deux dimensions
Résumé
This thesis presents a wide range of graphene activity: from chemical vapor deposition (CVD) of graphene growth on Cu surface, to two dimensional mesoscopic graphene devices for superconductivity studies. I first show that, in the CVD process of fabricating graphene, a cyclic injection of carbon feedstock under a constant hydrogen background allows to suppress the formation of multilayer graphene, which has plagued this fabrication method since its early days. With the CVD grown graphene,I demonstrate applications such as flexible transparent electrodes. Mobility of our CVD graphene at 4 K temperature reaches as high as 8,000 cm^2/V/s. Chemical treatment studies based on copper etchant show that control of the density of defects in CVD graphene can be precisely achieved by a chemical route. This thesis finishes at sub 1 K temperature transport measurements of a new type of superconducting array decorated graphene transistor. This type of hybride system is a prototypical model for quantum phase transition studies. I then show that the experimental observations are in good agreement with the predicted superconductor-to-metal quantum phase transition at the zero-temperature limit.
Cette thèse présente une étude du graphène complète depuis sa synthèse par dépôt de vapeur chimique (CVD), la fonctionnalisation de sa surface, jusqu'aux mesures à basse températures des propriétés de supraconductivité. Je présente tout d'abord une nouvelle technique de croissance CVD basée sur une injection impulsionnelle du gaz précurseur en présence constante d'hydrogène. Cette technique permet de s'affranchir de la présence de multicouches de graphène aux points de nucléation, un type de défaut connu qui avait limité jusqu'à présent les applications électroniques et optiques de ce matériau. Les dispositifs flexibles et optiquement transparents obtenus à partir de ce matériau présentent des caractéristiques améliorées par rapport à l'état de l'art notamment une homogénéité améliorée et une mobilité électronique dépassant 8,000 cm^2/V/s. Un traitement chimique est ensuite introduit et nous montrons par diverses techniques microscopiques, spectroscopiques optiques et électroniques qu'il est possible de contrôler précisément la densité de défauts dans le graphène par voie chimique. Cette thèse s'achève sur une étude à très basse température (<1K) des propriétés de transport électronique d'un nouveau type de systèmes basé sur un réseau de plots d'étain déposé sur un transistor en graphène. Ce type de système hybrides s'avère être un système modèle pour l'étude des transitions de phase quantique supra/isolant et supra/métal. Les résultats présentés sur les réseaux réguliers et dilués sont en bon accord avec les modèles théoriques prédisant un état métallique subsistant jusqu'à température nulle.
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