Graphene based mechanical and electronic devices in optimized environments : from suspended graphene to in-situ grown graphene/boron nitride heterostructures

par Hadi Arjmandi-Tash

Thèse de doctorat en Nanoélectronique et nanotechnologie

Sous la direction de Vincent Bouchiat.

Soutenue le 27-05-2014

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Manuel Nunez-Regueiro.

Le jury était composé de Cécile Naud, Vincent Derycke.

Les rapporteurs étaient Martine Mayne-L'Hermite, Anthony Ayari.

  • Titre traduit

    Dispositifs électroniques et mécaniques en graphène sous environnement optimal : du graphène suspendu aux hétérostructures graphène/nitrure de bore


  • Résumé

    Le graphène possède un gaz bidimensionnel de porteurs de charge stable et exposé à l'environnement sans aucune protection. Par conséquent, ses performances électriques sont extrêmement sensibles aux conditions environnementales, notamment aux impuretés chargées et aux corrugations imposées par le substrat sous-jacent. Ces éléments ont une contribution majeure dans la dégradation des propriétés de transport électronique du matériau.L'objectif de cette thèse est d'explorer par diverses techniques des méthodes pour atténuer ces effets par optimisation de son environnement direct.La première méthode consiste à reporter le graphènesur une couche neutre d'un cristal de nitrure de bore hexagonal (BN). Diverses techniques de fabrication d'empilement de Graphène sur BN sont présentées, notamment la croissance directe de graphène sur un cristal de BN exfolié sur un substrat catalytique qui aboutit à la formation d'empilements de structure bien contrôlée. Les échantillons sont mesurés à très basse température. Les effets de localisation faible mesurés par magnéto-transport montrent une amélioration nette des performances notamment de la longueur de cohérence et de la mobilité électronique par rapport à un échantillon de référence constitué du même ruban de graphène déposé sur substrat conventionnel de silicium oxydé.La deuxième technique consiste à isoler le graphène de son support par surgravure de la silice et suspension du graphène sous la forme d'une membrane autosupportée et tenue par ses extrémités. Après avoir introduit des techniques de fabrication spécifiques, les mesures de transport et le couplage à des modes de vibration mécanique sont étudiés température variable. Ces données permettent notamment une mesure du coefficient d'expansion thermique du graphène.


  • Résumé

    Charge carriers in graphene form stable two-dimensional gases which are fully exposed to the environment. As a consequence, the electrical performance of graphene is strongly affected by surface charged impurities as well as topographic perturbations inherited from the underlying substrate.This thesis addresses several methods to circumvent that issue.The first method consists in embedding graphene in an optimized environment by depositing graphene onto some neutral and crystalline material. Novel 2D insulating materials such as hexagonal boron nitride buffer layer (BN) appears as ideal substrates to get rid of detrimental effect of interfacial charges and corrugation. Several fabrication schemes of Graphene/BN stacks are shown including some direct in-situ growth of graphene on BN crystal using an innovative proximity-driven chemical vapour growth based on BN exfoliation on copper. In order to explore the effects of the improved substrate on the transport properties of graphene, we have performed low temperature magneto-transport studies on these stacks. We present a direct comparison of weak localization signals with those acquired on a graphene/silica reference device. A clear increase of the coherence length is shown on Graphene/BN stacks together with improved electronic mobility and charge neutrality.Removing the substrate and suspending graphene is another approach for optimization of the graphene environment which forms the second topic covered in this thesis. After introducing an improved recipe for preserving the quality of graphene throughout an elaborate fabrication process, we probe the room- and low-temperature performance of the nano-electro-mechanical devices based on doubly clamped suspended graphene ribbons. The obtained data are used for characterizing the thermal expansion of CVD graphene.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Service Interétablissement de Documentation. LLSH Collections numériques.
  • Bibliothèque : Université Savoie Mont Blanc (Chambéry-Annecy). Service commun de la documentation et des bibliothèques universitaires. Bibliothèque électronique.
  • Bibliothèque : Service interétablissements de Documentation. STM. Collections numériques.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.