Epitaxial graphene on SiC : doping and functionalization
Graphène épitaxié sur SiC : dopage et fonctionnalisation.
Résumé
Since its discovery, graphene has attracted tremendous interest and its remarkable properties make it a material intensively studied by the scientific community. This thesis is not directly concerned with its intrinsic properties, but the possibilities of doping and functionalization of graphene for future possible applications and devices. The choice of epitaxial graphene on SiC as basic material allowed us to have samples well adapted for spectroscopic studies (XPS, ARPES and NEXAFS) carried out on a synchrotron facility (SOLEIL). These studies are essential for the macroscopic characterization of doped graphene and its functionalization. Epitaxial growth provides us the possibility to dope graphene both in-situ and ex-situ. We first opted for an in-situ doping technique studying the influence of nitrogen as a chemical dopant on the growth process. This allowed us to fabricate doped graphene in a one-step process. By tuning the parameters for epitaxial growth the creation of a silicon nitride layer was also observed. We also used atomic and molecular oxygen for the functionalization of graphene. By exposing pristine graphene to oxygen in an ex-situ process, we were able to study the evolution of empty states of graphene and the consequences on the electronic structure. The edges of graphene crystallites are particularly adapted for functionalization because of their chemical activity. The epitaxial growth on a 3C-SiC substrate allowed us to synthesize graphene with a reduced lateral size (~100 nm) and to have a higher density of edges in our sample. In this way we were able to detect the signature of these edge states using non-local spectroscopic methods.
Depuis sa découverte, le graphène a attiré beaucoup d’intérêt et ses propriétés remarquables font de lui un matériau très étudié par la communauté scientifique. Ce travail de thèse porte non pas sur ces propriétés intrinsèques, mais sur les possibilités de dopage et de fonctionnalisation du graphène pour d’éventuelles applications futures. Le choix du graphène épitaxié sur SiC comme matériau de base nous a permis d’avoir des échantillons adaptés aux études spectroscopiques (XPS, ARPES, NEXAFS) effectuées au synchrotron SOLEIL. Ces études sont indispensables pour la caractérisation macroscopique du graphène dopé et fonctionnalisé. La croissance epitaxiale permet à la fois le dopage in-situ et ex-situ. Dans un premier temps nous avons étudié l’influence de l’azote, élément voisin du carbone. Nous avons opté pour une technique de dopage in-situ, ce qui nous a permis d’avoir du graphène dopé dans un seul et même processus de fabrication. De plus nous avons pu déterminer les conditions de croissance pour obtenir une couche de nitrure de silicium (Si3N4) entre le graphène et le substrat. D’autre part nous avons utilisé l’oxygène pour fonctionnaliser le graphène. En exposant le graphène vierge à l’oxygène atomique et moléculaire, on a pu étudier l’évolution des états vide du graphène en présence d’oxygène. Les bords des grains de graphène sont particulièrement adaptés pour la fonctionnalisation à cause de leur activité chimique. Nous avons ainsi synthétisé du graphène avec des grains de petites dimension (~100 nm) pour avoir une forte densité de bords dans l’échantillon. De cette manière nous avons pu détecter, par absorption des rayons X, la signature de ces états de bord.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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