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Thèse Année : 2022

Two dimensional electron devices built with large area MAXenes

Dispositifs électroniques bi-dimensionnels fabriqués à partir de MAX-enes

Athanasios Gkountaras
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1150661
  • IdRef : 262066866

Résumé

The isolation of graphene using mechanical exfoliation indicated that layered structure bulk materials with weak layer-to-layer bonds can be transformed to their 2D derivates with such a simple technique. To date, mechanical exfoliation has been successfully applied to various lamellar materials with van der Waals inter-layer bonding, such as hexagonal boron nitride (h-BN) and transition metal dichalcogenides (TMDC).Another class of lamellar compounds named MAX phases, where M is an early transition metal, A belongs to group 13-16 of the periodic table and X is C or N, has globally aroused interest owing to a particular combination of ceramic and metal properties. Their layered structure displays stronger inter-layer (metallic) bonds than van der Waals and since 2011, when the first 2D counterparts, named MXenes, were produced by chemically etching of the parent MAX phases, no other delamination technique has been applied so far.In this thesis we introduce a new way to delaminate MAX phases down to the ultimate thinness, via mechanical exfoliation. While such a process has been initially developed for van der Waals layered compounds, the strong inter-layer bonds in MAX phases seems unfavorable a priori. Our study was focused on Cr2AlC, V2AlC, Ti2SnC MAX phases and the Mo4Ce4Al7C3 phase, for which we demonstrated that modifications to the transfer recipe known for graphite/graphene lead to remarkable results : flakes with large lateral dimensions and homogeneous thickness down to monolayer could be isolated. The isolation of few-monolayers thick flakes on SiO2/Si substrates paved the way for their surface and electrical properties characterization. Besides, Atomic Force Microscopy (AFM), Scanning Tunneling Microscopy (STM) measurements of the surface of cleaved Cr2AlC single crystals in ultra-high vacuum conditions revealed that clusters of Al atoms remain on the cleaved surface. Electrostatic Force and Kelvin Probe Force Microscopies (EFM and KPFM) provide clear evidence that flakes are metallic down to monolayer thickness. The same conclusion is deduced both from resistivity measurements as a function of temperature and I-V curves.Finally, a kinetics study of MAX-to-MXene conversion based on the HF etching of a well-defined structure comprised of square-size V2AlC pillars indicated that HF penetration takes place at facets perpendicular to the basal planes of the single crystal.
L'isolation du graphène par exfoliation mécanique a montré que les matériaux massifs nano-lamellaires liés par de faibles liaisons inter-plans peuvent être convertis en leurs dérivés bidimensionnels par une technique simple. À ce jour, l'exfoliation mécanique a été appliquée avec succès à divers matériaux lamellaires avec des interactions inter-plans de type van der Waals, tels que le nitrure de bore hexagonal (h-BN) et les di-chalcogénures de métaux de transition (TMDC).Une autre classe de composés nano-lamellaires appelés phases MAX, où M est un métal de transition des premières colonnes, A appartient aux colonnes 13-16 du tableau périodique et X est C ou N, a suscité un intérêt général car ils combinent des propriétés intéressantes mais ordinairement rattachées soit aux seules céramiques, soit aux seuls métaux. Leur structure se caractérise néanmoins par des liaisons inter-plans (métalliques) plus fortes que des interactions de type van der Waals. Depuis 2011, date à laquelle les premiers matériaux 2D dérivés, appelés MXenes, ont été produits par gravure chimique à partir des composés MAX précurseurs, aucune autre technique d’exfoliation n'avait été démontrée.Dans cette thèse, nous présentons une méthode d’exfoliation mécanique des phases MAX, jusqu'à des épaisseurs de quelques couches atomiques. Alors qu'un tel procédé a été initialement développé pour les composés de type van der Waals, les fortes liaisons inter-plans dans les phases MAX sont a priori défavorables. Notre étude s'est focalisée sur les phases Cr2AlC, V2AlC, Ti2SnC et la phase Mo4Ce4Al7C3, pour lesquelles nous avons démontré que des adaptations du procédé développé pour la conversion graphite/graphène conduisent à des résultats remarquables : des feuillets de grandes dimensions latérales et d'épaisseur homogène jusqu'à quelques couches atomiques ont pu être isolés. L'isolation de feuillets épais de quelques monocouches sur des substrats SiO2/Si a permis la caractérisation de leur surface et de leurs propriétés électriques. En outre, des mesures par microscopie à force atomique (AFM) et par microscopie à effet tunnel (STM) de la surface de monocristaux de Cr2AlC clivés dans des conditions d’ultra-vide révèlent que des groupes d'atomes Al se forment sur la surface clivée. Les microscopies à force électrostatique et à sonde Kelvin (EFM et KPFM) fournissent la preuve que les feuillets sont métalliques jusqu'à l'épaisseur d'une demi-maille de la structure initiale. La même conclusion est tirée de mesures de résistivité en fonction de la température et des courbes courant–tension.Enfin, une étude cinétique de la conversion de phase MAX en MXene, basée sur la gravure par acide fluorhydrique (HF) d'une structure bien définie et composée de piliers monocristallins de V2AlC, montre que la pénétration de HF a lieu au niveau des facettes perpendiculaires aux plans ab du monocristal.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03726603 , version 1 (18-07-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03726603 , version 1

Citer

Athanasios Gkountaras. Two dimensional electron devices built with large area MAXenes. Mechanical engineering [physics.class-ph]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2022. English. ⟨NNT : 2022GRALI034⟩. ⟨tel-03726603⟩

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