Production of graphene based materials and their potential applications

par Yasemin Celik

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Emmanuel Flahaut.

Le jury était composé de Ender Suvaci.

  • Titre traduit

    Synthèse de matériaux à base de graphène et leurs applications potentielles


  • Résumé

    Le graphène est un matériau prometteur pour de nombreuses applications du fait de ses propriétés exceptionnelles. Cependant, à la fois les propriétés et les rendements des graphènes et dérivés sont très variables et dépendants de la méthode de production utilisée. De ce fait, la méthode de production doit être développée en accord avec les besoins liés à l'application visée. Dans cette thèse, différents nanomatériaux dérivés du graphène ont été préparés en employant deux méthodes différentes, l'exfoliation en milieu liquide et la synthèse directe par dépôt chimique catalytique en phase vapeur (CVD), et une compréhension fondamentale sur la production de graphène a été acquise. Ces deux méthodes sont prometteuses en termes de qualité, de possibilité de production à grande échelle, de cout de production et enfin d'applications des différents "graphènes" obtenus. D'une part, l'exfoliation en milieu liquide permet de produire des dérivés du graphène tels que le few-layer graphene (FLG (<5 feuillets)) à relativement grande échelle, pour des applications telles que les nanocomposites. Le défi principal consiste à augmenter la concentration en FLG autant que possible, tout en conservant une bonne qualité. De ce fait, une étude comparative de l'exfoliation dans l'alcool isopropylique de 3 poudres de graphite différentes a été entreprise. Des suspensions de FLG de concentration élevée (?1,1 mg/ml) ont été obtenues en partant de poudre de graphite de surface spécifique élevée, par sonication dans l'alcool isopropylique (cuve, 90 min). Ces nanoparticules ont ensuite été incorporées dans des nanocomposites à matrice alumine. Ainsi, nous avons préparé par frittage SPS des nanocomposites à matrice céramique possédant des propriétés mécaniques, thermiques et électriques anisotropes. D'autre part, des films de graphène alliant une grande surface, prometteurs pour des applications dans le domaine de l'électronique, ont été synthétisés par CVD basse pression sur des feuilles de Cu. L'influence de l'atmosphère pendant le traitement thermique et la nature du catalyseur sur le niveau d'impuretés, la qualité des films de graphène synthétisés et leur uniformité en termes de nombre de feuillets a été étudiée. Des films de graphène CVD de haute qualité (très peu de désordre de structure) ont été utilisés pour la réalisation de dispositifs. Ces derniers ont été caractérisés à température ambiante en mesurant leur résistance électrique en fonction de la tension grille ainsi que par des mesures de transport en régime d'effet Hall quantique (basse température et forts champs magnétiques - pulsés). Les résultats préliminaires obtenus confirment que du graphène mono-feuillet possédant une bonne mobilité électronique atteignant jusqu'à 46500 cm²/Vs à température ambiante a pu être synthétisé avec succès.


  • Résumé

    Graphene is a promising material for many applications due to its unique properties. However, properties and yield of graphene-based materials show variations depending on which production route is used. Therefore, an appropriate production method has to be preferred according to the requirements of a specific application. In this thesis study, graphene-based materials have been successfully produced by liquid phase exfoliation (LPE) and chemical vapor deposition (CVD), which are promising graphene production methods in terms of quality, scalability, cost and applicability of the produced material to relevant applications, and a fundamental understanding on graphene production has been developed. LPE route allows one to produce graphene-based materials at a large-scale for applications such as nanocomposites. The challenge of this method is to increase graphene concentration as much as possible while maintaining the quality of the graphene flakes. Therefore, a comparative study, at which three different graphite-based powders were investigated as starting materials for an effective exfoliation process in isopropyl alcohol (IPA), was performed. High concentration (?1.1 mg/ml), few-layer (?5 layers) graphene-based dispersions were prepared by sonication in IPA within 90 min by utilizing a high surface area graphite nano-powder. This graphene-based material was then incorporated into Al2O3 matrix nanocomposites as a reinforcing/filler phase. Ceramic matrix nanocomposites which exhibit anisotropic mechanical, thermal and electrical properties have been successfully prepared by spark plasma sintering. On the other hand, large-area graphene films, which are promising for electronic applications, were synthesized via low-pressure CVD method over Cu-foils. The influence of ramping atmosphere and Cu foil characteristics on the impurity level, quality of the synthesized graphene films and their thickness uniformity was investigated. High quality CVD-grown graphene films with a significantly reduced disorder level were used for device fabrication and characterized in terms of their electrical resistance at room temperature as a function of gate voltage and transport property measurements in Quantum Hall Effect (QHE) regime (at low temperature and high magnetic field) by pulsed magnetic field experiments. The preliminary results confirmed that single layer graphene with a relatively high electronic mobility reaching up to ?46500 cm2/Vs at room temperature was successfully produced.


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  • Détails : 1 vol. (214 p.)

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2015 TOU3 0008
  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque électronique.
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