Étude ab initio des phonons du graphène sur substrats métalliques

par Adrien Allard

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée

Sous la direction de Ludger Wirtz.

Soutenue le 08-12-2011

à Lille 1 , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille) .


  • Résumé

    La synthèse du graphène reste une étape problématique mais la technique par dépôt de vapeur chimique sur les métaux a beaucoup progressé ces trois dernières années, c'est-à-dire depuis que l'on sait qu'il est possible de retirer sans le dénaturer le graphène de son support métallique. Cette étape de transfert appelle à l'étude de la force d'interaction qui a lieu entre graphène et métal. L'influence de cette liaison graphène-métal sur la structure électronique a déjà été largement étudiée et nous proposons plutôt ici de nous pencher sur la dispersion des phonons. Celle du graphène isolé est d'ailleurs remarquable pour les deux grandes anomalies de Kohn (KA) qu'elle présente sur sa branche de plus haute fréquence aux points de haute symétrie Gamma et K. La pente de la dispersion autour de ces KA est une mesure directe du couplage électron-phonon (EPC) entre ces modes de phonons et les électrons des points de Dirac. Nous avons montré que cet EPC, qui a par exemple beaucoup d'influence sur la mobilité électronique ou sur le processus de résonnance Raman, est fortement altéré suite à l'interaction avec certains substrats métalliques. Lors de notre étude ab initio du graphène sur nickel(111), nous avons en effet observé une disaparition complète des anomalies de Kohn. Ceci est dû à la forte hybridation entre les bandes pi du graphène et les bandes d du nickel. La spéctroscopie Raman et la diffraction électronique à basse énergie sont des moyens efficaces et courants pour caractériser le graphène sur les substrats métalliques. Nos résultats montrent comment tirer de ces mesures davantage d'informations concernant le caractère physisorbé ou chimisorbé du graphène sur le métal.

  • Titre traduit

    Ab initio calculations of the phonon dispersion of graphene on metallic substrates


  • Résumé

    The fabrication of high quality large-area graphene films is one of the biggest problem. Recently, the synthesis by chemical vapor deposition of hydrocarbons over a metallic substrate have shown promising results. To manage as well as possible the transfer process of the graphene layer in an insulator, it is important to know the interaction strength between the graphene layer and the metallic substrate. We propose in this paper to calculate the phonon dispersion of an adsorbed graphene. The phonon dispersion of graphene is known to display two strong Kohn Anomalies (kinks) in the highest optical branch (HOB) at the high-symmetry points Gamma and K. The phonon slope around the Kohn anomalies is related to the electron-phonon-coupling (EPC) with the graphene pi bands. We show that this EPC, which has strong impact, for example, on Raman scattering and electron transport, can be strongly modified due to interaction with a metallic substrate. For graphene grown on a Ni(111) surface, our ab initio calculations show a total suppression of the Kohn anomaly ; the HOB around Gamma and K becomes completely flat. This is due to the strong hybridization of the graphene pi-bands with the nickel d-bands that lifts the linear crossing of the pi bands at K. Raman spectroscopy and low-energy electron diffraction are quick and reliable methods to characterize graphene on metallic substrates. Our results show how to obtain additional information, by means of vibrational and photoemission spectroscopy, on the chemisorption or physisorption of graphene layers on metal surfaces.


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