Functionalization of two-dimensional nanomaterials based on graphene - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2014

Functionalization of two-dimensional nanomaterials based on graphene

Fonctionnalisation des nanomatériaux bidimensionnelle à base de graphène

Résumé

In order to promote 2D materials like graphene to their numerous applications, new methods altering their electronic and chemical properties have to be mastered. In this thesis, the processes of chemical doping and hydrogenation of monolayer graphene grown on SiC are investigated. Nitrogen atoms are successfully substituted in the graphene lattice using plasma-based methods. The bonding con gurations of the incorporated N can be controlled via the nature and energy of exposing species and the thickness of the pristine graphene. An n-type doping, revealed by angle-resolved inverse photoemission spectroscopy (ARIPES), is found in most N-doped graphene and is assigned to the presence of graphitic-N. Hydrogenations of the bu er layer of graphene (BLG) on SiC at ambient or high temperatures saturate the remaining Si dangling bonds at BLG/SiC interface in two di erent ways, either by inducing additional C-Si bonds or by H intercalation. This results in 2D materials with distinct characters, an insulating, graphane-like H-BLG or a quasi-free-standing graphene, which may be used as a new concept for the engineering of graphene-based devices. The interactions between pi-conjugated molecules and the functionalized graphene are also investigated. The unoccupied states of molecules are altered by the presence of incorporated N, but the degradation of molecules due to low-energy electron exposure seems not enhanced by the doping nitrogen under the studied conditions. Nevertheless, the functionalization of graphene is demonstrated and its electronic and chemical properties are carefully studied, which should facilitate further applications employing functionalized graphene.
Cette étude de la fonctionnalisation du graphène se base principalement sur la monocouche de graphène épitaxiée sur SiC, dont nous avons notamment modifié les propriétés électroniques via le dopage par exposition à un plasma d'azote et par l'hydrogènation. Les propriétés électroniques, structurales et la composition chimique du graphène fonctionnalisé sont étudiées in situ et ex situ par des techniques de spectroscopies électroniques, principalement la photoémission inverse résolue angulairement (ARIPES). L'incorporation d'azote dans le graphène réalisée par l'exposition à un plasma d'azote entraîne un décalage des niveaux inoccupés du graphène vers le niveau de fermi. Ce dopage-n est attribué à la présence d'atomes d'azote substitutionnels entourés de trois voisins carbone (N-graphitique). D'autres centres azotés, associés à des lacunes, sont présents dans le graphène, sous forme d'azotes pyrroliques et pyridinique, mais la configuration majoritaire peut tre contrlée efficacement par l'énergie du plasma, les espèces d'azote incidentes (atomes ou/et ions), et l'épaisseur de la couche de graphène de départ. Nous étudions ensuite l'hydrogénation de la couche tampon de graphène (BLG) sur SiC en fonction de la température. A l'ambiante, l'hydrogène adsorbé sur le graphène sature les liaisons pendantes de Si de l'interface par un processus indirect impliquant la formation de nouvelles liaisons C-Si. Le BLG ainsi hydrogéné est un isolant dont la bande interdite (EGAP ~5 eV) est proche de celle du graphane, alors que le BLG est un isolant de Mott-Hubbard (EGAP ~1.6 eV). A haute température, l'hydrogène s'intercale sous le BLG, exposant ainsi une monocouche de graphène quasi flottante (QFSG) non-dopée, les liaisons pendantes du substrat étant complètement saturées par l'hydrogèene intercalé. Sur la base de ces propriétés, nous proposons un nouveau concept de fabrication de dispositifs à base de graphène sur SiC. En fin, nous avons également étudié la réaction entre des molécules pi-conjuguées et le graphène vierge ou dopé à l'azote. Les états inoccupés des molécules dérivées du pérylène (PTCDA, PTCDI) sont légèrement modifiés sur le graphène dopé N à cause d'un renforcement du transfert électronique vers la molécule. Des réactions chimiques entre ces molécules et le graphène sont observées après exposition aux électrons de basse énergie. En résumé, cette étude permettra une meilleure maîtrise des propriétés électroniques des matériaux 2D comme le graphène, et facilitera le développement de nouvelles applications à base de graphène, notamment en nano-électronique.
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Dates et versions

tel-01112919 , version 1 (03-02-2015)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01112919 , version 1

Citer

Yu-Pu Lin. Functionalization of two-dimensional nanomaterials based on graphene. Condensed Matter [cond-mat]. Aix Marseille Université, 2014. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01112919⟩
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