Développement de la croissance de graphène par CVD sur cobalt, analyses morphologique et structurale

Le graphene, plan d'atomes de carbone agences en nid d'abeille, possede des proprietes physico-chimiques remarquables, en particulier une excellente mobilite electronique, qui en font un materiau d'avenir pour de nombreuses applications. Si la synthese par depot chimique en phase vapeur (CVD) est une methode prometteuse en vue d'une production de graphene de qualite a grande echelle, il reste difficile de controler les caracteristiques du graphene forme. L'objectif de ce travail experimental est a la fois de developper la croissance de graphene par CVD a pression atmospherique et temperature moderee (600°C a 900°C) sur un substrat de cobalt et d'analyser le graphene forme par des techniques d'analyse complementaires afin de determiner ses caracteristiques physico-chimiques et structurales.Une etude de l'influence de plusieurs parametres de synthese sur les caracteristiques du graphene forme (nombre de couches, taux de recouvrement, defauts et taille des domaines cristallins) a ete realisee. En utilisant des feuilles de cobalt commerciales et en travaillant a 850°C avec une forte vitesse de refroidissement et un apport faible en carbone, un film continu de graphene de trois couches a ete obtenu. De plus, en etudiant la distribution des atomes de carbone dans le cobalt apres synthese, nous avons mis en evidence une concentration de carbone extremement elevee, environ 100 fois superieure a la solubilite du carbone dans le cobalt a 850°C.L'influence du cobalt sur les caracteristiques structurales a ete etudiee par diffraction des rayons X sur source synchrotron. Pour cela, du graphene a ete synthetise par CVD a pression atmospherique sur des films minces de cobalt. L'etude structurale de ce systeme a revele un empilement des feuillets de graphene de type graphite turbostratique et des domaines cristallins presentant deux orientations differentes par rapport au cobalt.L'etude du systeme graphene/cobalt est completee par une analyse multi-techniques et localisee du graphene permettant d'analyser la meme zone de graphene lorsqu'elle est sur cobalt puis sur SiO2, apres transfert. La caracterisation est realisee par microcopie et par spectroscopie Raman. L'influence du substrat de cobalt sur le graphene forme, notamment des contraintes mecaniques et du dopage electronique, est mise en evidence.Une etude de l'influence de plusieurs parametres experimentaux sur les caracteristiques du graphene forme (nombre de couches, taux de recouvrement, defauts et taille des domaines cristallins) a ete realisee. En utilisant des feuilles de cobalt commerciales et en travaillant a 850°C avec une forte vitesse de refroidissement et un apport faible en carbone, un film continu de graphene de trois couches a ete obtenu. De plus, en etudiant la distribution des atomes de carbone dans le cobalt apres synthese, nous avons mis en evidence une concentration de carbone extremement elevee, environ 100 fois superieure a la solubilite du carbone dans le cobalt a 850°C.L'influence du cobalt sur la croissance du graphene a ete etudiee par diffraction des rayons X sur source synchrotron. Pour cela, du graphene a ete synthetise par CVD a pression atmospherique sur des films minces de cobalt. L'etude structurale de ce systeme a revele un empilement des feuillets de graphene de type graphite turbostratique. De plus, il a ete montre que 95 % des domaines cristallins du graphene sont orientes a 20° ± 7° par rapport au cobalt tandis que 5 % des domaines est tres bien orientee a 30° ± 0,6°. L'etude du systeme graphene/cobalt est completee par une analyse multi-techniques et localisee du graphene permettant d'analyser la meme zone de graphene lorsqu'elle est sur cobalt puis sur SiO2, apres transfert. L'influence, notamment mecanique, du substrat de croissance sur le graphene forme est mise en evidence.