Simulations ab-initio des spectres Raman résonants dans le graphène, les multicouches de graphène et le graphite

par Abderrezak Torche

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Christophe Charlier et de Matteo Calandra.

Soutenue le 05-10-2017

à Paris 6 en cotutelle avec l'Université catholique de Louvain (1970-....) , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris) , en partenariat avec Institut de minéralogie- de physique des matériaux et de cosmochimie / IMPMC (laboratoire) .

Le président du jury était Fabio Finocchi.

Le jury était composé de Marie-Aude Measson, Gian-Marco Riganese.

Les rapporteurs étaient Laurent Alvarez, Valentin Popov.


  • Résumé

    Les multicouches de graphène en empilement rhomboédrique sont considérés comme une phase prometteuse du carbone. Cela est due à la particularité de cette phase de pouvoir exhiber des états à forte corrélation électronique comme le magnétisme ou la supraconductivité à haute température critique. Ce qui est due, a son tour, à l’occurrence d’un état de surface avec une dispersion d’énergie électroniques quasi-nulle à proximité du niveau de Fermi. Malgré que le graphite Bernal soit la forme la plus stable du graphite, des échantillons a trois et quatre couches de graphène en empilement rhomboédrique ont pu être synthétisés. Plus récemment, des flocons d’épaisseur dépassant les 17 couches ont été isolés et provisoirement attribués à des séquences d’empilement rhomboédrique. Cette attribution à été faite via des expériences de spectroscopie Raman sous champ magnétique, bien que l’empreinte Raman des multicouche de graphène en empilement rhomboédrique est actuellement inconnue. Même le cas simple du spectre Raman résonnant à deux phonons (le pic 2D) du graphite Bernal n’est pas totalement compris. Dans ce travail de thèse, nous fournissons une description ab-initio complète du pic Raman 2D dans les systèmes de graphène à trois et quatre couches pour tous les empilements possibles, ainsi que pour le graphite Bernal, rhomboédrique et une alternance de graphite Bernal et rhomboédrique.

  • Titre traduit

    Ab-initio resonant Raman simulations in graphene, few layer graphene, and graphite


  • Résumé

    Multi-layer graphene with rhombohedral ABC stacking is considered as a promising carbon phase possibly displaying correlated states like magnetism or high-T c superconductivity due to the occurrence of an ultraflat electronic surface band at the Fermi level. Despite Bernal graphite being the most stable form of graphite, three and four layers graphene samples with rhombohedral stacking can be synthesized. Recently, flakes of thickness up to 17 layers were tentatively attributed ABC sequences although the Raman fingerprint of rhombohedral multilayer graphene is currently unknown and the 2D two-phonon resonant Raman spectrum of Bernal graphite not completely theoretically understood. Here we provide a complete first principles description of the 2D Raman peak in three and four layer graphene for all possible stackings, as well as for bulk Bernal, rhombohedral and an alternation of Bernal and rhombohedral graphite, that can be seen as a periodic sequence of ABA and ABC trilayers. Calculations for several laser energies are performed and we give practical prescriptions are proposed to identify long range sequences of ABC multi-layer graphene flakes.


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