Étude de la croissance et de la structure du graphène sur métal et croissance de nanostructures auto-organisées au dessus

Growth and structure of graphene on metal and growth of organized nanostructures on top

• Auteur / Autrice : Fabien Jean
• Direction : Gilles Renaud, Johann Coraux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 16/07/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Yves Garreau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Gilles
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Laure Bocquet, Guillaume Saint-Girons

Mots clés

Mots clés contrôlés

Graphène

Mots clés libres

Graphène

Synchrotron

Croissance

Structure

Auto-Organisation

Imagerie en champ proche

Graphene

Synchrotron

Growth

Structure

Self-Organization

Near field microscopy

Résumé

Le graphène, une monocouche de graphite, est composé d'atomes de carbone avec une structure en nid d'abeilles. Ses propriétés exceptionnelles ont attiré un intérêt mondial, dont le Prix Nobel de Physique en 2010. Le graphène épitaxié sur métal à rapidement été identifié comme un moyen de production de graphène de haute qualité de taille métrique, et est le sujet d'intenses activités de recherche en sciences de surface pour caractériser ses propriétés. En outre, ces études concernent aussi des systèmes plus complexes avec pour base le graphène, par exemple les réseaux ordonnés de nanoparticules à sa surface. Tout cela a mené à l'étude de la croissance, de la structure et des défauts du graphène épitaxié avec un grande variété de techniques expériementales, tel que la microscopie par effet tunnel, spectroscopie par photo-émission résolue en angle ou encore la microscopie électronique à basse énergie. Ce travail de recherche se concentre sur le graphène obtenu par croissance sur la surface (111) d'un monocristal d'iridium dans des conditions d'ultra vide et étudié avec plusieurs techniques de mesure par diffraction (diffraction de surface des rayons X, diffraction des rayons X en incidence rasante, réflectivité des rayons X et diffraction des électrons à haute énergie en réflexion). Ces expériences ont été faites au synchrotron européen ESRF à Grenoble, en France. La première partie de cette étude a été de déterminer la structure du graphène à l'échelle atomique. Le système montre une tendance à la commensurabilité, mais sa structure précise dépend fortement des conditions de préparation et de la température appliqué au système. En outre, en combinant des techniques de diffraction à haute résolution, une caractérisation précise de la structure, qui fait débat dans la littérature, est dévoilée. Le système étudié présente aussi une surperstructure, typique du graphène épitaxié, nommé moiré pour ses similarités avec l'effet optique du même nom. Celle-ci est utilisée comme gabarit pour faire croître des nanoparticules monodisperses à la surface en réseau auto-organisé. Durant cette étude, trois types de nanoparticules ont été examinés, des particules de platine de deux tailles différentes et des particules composées de platine et de cobalt. Ces systèmes hybrides présentent un fort degré d'organisation, partiellement hérité de la superstructure du moiré. Les nanoparticules forme une interaction forte avec leur support et elles subissent des contraintes de surface causées par leurs petites tailles. Par ailleurs, les nanoparticules de platine-cobalt, dont la croissance est en deux étapes, gardent une structure en couche et non une structure d'alliage métallique.

Graphene, a monolayer of graphite, is composed of carbon atoms arranged in a honeycomb lattice. Its exceptional properties have attracted a worldwide interest, including the Novel Prize in Physics in 2010. Epitaxial graphene on a metal was rapidly identified as an efficient method for large-area production of high quality graphene, and also was the matter of intense activities exploiting surface science approaches to address the various properties of graphene and of advanced systems based on graphene, for instance ordered lattice of metal nanoparticles on graphene. This resulted in the study of growth, structure and defects of epitaxial graphene on a wide variety of substrates with various techniques such as scanning tunneling microscopy, angle-resolved photoemission spectroscopy or low-energy electron microscopy. This work focuses on graphene grown on the (111) surface of iridium in ultra-high vacuum conditions and studied with several diffraction techniques (surface X-ray diffraction, grazing incidence X-ray diffraction, X-ray reflectivity, and reflection-high energy electron diffraction). These experiments were performed at the European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble, France. The first step in our study was to determine the structure of graphene at the atomic scale. The system was found to have a tendency to commensurability, but that the precise structure depends on temperature and on preparation conditions. Moreover, with the combination of high resolution diffraction techniques, a precise characterization about the debated structure of graphene perpendicular to the surface was unveiled. The system, exhibits a superstructure, typical of epitaxial graphene, called a moiré, as an equivalent of the moiré effect in optics. This is used as a template to grown nanoparticles on top of the system to achieve the self-organisation of monodisperse nanoparticles. In this study, three type of nanoparticles were investigated, two different size of pure platinum ones and bimetallic ones, platinum and cobalt. These hybrid systems show very high degree of order, partly inherited by the superstructure lattice. The nanoparticles were found to strongly bond to their support, experience substantial surface strain related to their small size, and that bimetallic ones grown in a sequential manner retain a chemically layered structure.