Quasi-long-range order and topological defects in graphene on rhenium studied by scanning tunneling microscopy
Quasi-ordre à longue distance et défauts topologiques dans le graphène sur rhénium étudié par microscopie à effet tunnel
Résumé
The discovery of graphene in 2004 is a two-fold breakthrough in condensed matter physics. On the one hand, its electronic properties are that of a massless Dirac fermion gas. On the other hand, its structure is the very first example of an ordered material in two dimensions.This second characteristics is studied in this thesis by scanning tunneling microscopy (STM), in the case of graphene grown in ultra-high vacuum on the (0001) surface of rhenium. In two dimensions, crystalline order is indeed impossible, and it is predicted to be replaced by a quasi-long-range order, for which the phase of the order parameter fluctuates. The rhenium substrate then acts as an outside influence that can restore crystalline order, as it forces graphene's structure to adopt an epitaxial relation with rhenium.The study of graphene's structure proposed here proves it actually originates from kinetic constraints inherited from its growth. Many typical nanostructures have indeed been identified at the atomic scale, giving access to the growth mechanism. Two reaction pathways compete. The first one gives rise to a family of metastable carbon clusters with well-defined structures in epitaxy on rhenium. The second one leads to growing graphene islands of a few nanometers in size. The coalescence of these islands and the incorporation of the carbon clusters ends up forming structural defects whose atomic structure is detailed for the first time. This exhaustive study reveals reaction pathways in the growth of graphene on rhenium are diverse, and constitute compromises between kinetics and thermodynamics.At the end of that growth, the obtained graphene is not uniform, but made of roughly 10 nm-large domains. Each domain displays a specific epitaxial relation with rhenium, in which graphene is both twisted and sheared with respect to rhenium, as revealed a STM image analysis method developed for this purpose. Elaborating a universal classification of such epitaxial relations shows they are very diverse. Two interpretations of this morphology are possible. The graphene domain walls can indeed be interpreted as topological defects in the crystalline order set in graphene by the rhenium substrate. Otherwise, they are fluctuation modes whose dynamics is frozen by the interaction with the substrate. These results put into question the notion of crystalline order set by a substrate to a two-dimensional material. They show that instead of forcing a specific epitaxial relationship, the graphene-substrate interaction gives rise to a so-called chaotic phase.
La découverte du graphène en 2004 constitue une double avancée en physique de la matière condensée. D'une part, ses propriétés électroniques sont celles d’un gaz de fermions de Dirac sans masse. D'autre part, sa structure fournit le tout premier exemple d’un matériau ordonné à deux dimensions.Cette seconde caractéristique est étudiée dans cette thèse par microscopie à effet tunnel (STM), dans le cas du graphène synthétisé en ultra-haut vide sur la face (0001) du rhénium. A deux dimensions, l’ordre cristallin est en effet impossible, et il est prédit qu’un quasi-ordre à longue distance s’y substitue, où la phase du paramètre d’ordre fluctue. Le substrat de rhénium intervient alors comme une influence extérieure qui peut restaurer l’ordre cristallin, en forçant la structure du graphène à épouser une relation d’épitaxie avec le rhénium.L’étude proposée de la structure du graphène démontre qu’elle est en fait tributaire de contraintes cinétiques héritées de sa croissance. Plusieurs nanostructures caractéristiques ont ainsi été identifiées à l’échelle atomique, permettant de remonter au mécanisme de croissance. Deux chemins réactionnels y entrent ainsi en compétition. Le premier aboutit à une famille d’agrégats de carbone métastables, de structures bien définies, en épitaxie sur le rhénium. Le second mène à la croissance d’îlots de graphène qui s’étendent sur quelques nanomètres. La coalescence de ces îlots et l’incorporation des agrégats en leur sein conduit à des défauts structurels dont la structure atomique est détaillée pour la première fois. Cette étude exhaustive révèle la diversité des chemins réactionnels lors de la croissance de graphène sur rhénium, qui sont autant de compromis entre cinétique et thermodynamique.Au terme de cette croissance, le graphène obtenu n’est pas uniforme, mais constitué de domaines s'étendant sur des distances de l'ordre de 10 nm. Chaque domaine présente une relation d'épitaxie entre le graphène et le rhénium qui lui est propre, où le graphène s'avère à la fois tourné et cisaillé par rapport à son substrat, comme le montre une méthode d’analyse d’images STM développée à cet effet. L’élaboration d’une classification universelle de ces relations d'épitaxie montre leur grande diversité. Deux interprétations se confrontent alors. Les parois entre domaines de graphène peuvent en effet être interprétées comme des défauts topologiques dans l’ordre cristallin imposé au graphène par le substrat de rhénium. Alternativement, ce sont des modes de fluctuations dont la dynamique est gelée par l’interaction avec le substrat. Ces résultats remettent donc en question la notion d’ordre cristallin imposé par son substrat à un matériau bidimensionnel. Ils montrent qu’au lieu de forcer une relation d'épitaxie particulière, l’interaction du graphène avec son substrat donne lieu à une phase dite chaotique.
Origine : Version validée par le jury (STAR)