Modification de films de graphène dans la post-décharge en flux de plasmas micro-ondes d’azote à pression réduite

Ce projet de thèse porte sur le traitement de films de graphène dans la post-décharge en flux de plasmas micro-ondes d’azote à pression réduite. Différentes considérations de contamination de surface des échantillons se sont avérées cruciales pour ce travail. Par exemple, en présence d’hydrocarbures, les traitements dans les différentes régions de la post-décharge montrent des profils de production de dommages, d’incorporation d’azote et de fonctionnalisation de contaminants distincts. Le traitement agressif qu’offre la post-décharge proche résulte en la formation de complexes amorphes graphène-hydrocarbures responsables d’une forte hausse de la teneur en azote (jusqu’à 49%) pour des désordres modérés (D:G = 1.3). Pour les traitements dans la post-décharge lointaine, les hydrocarbures jouent un rôle de couche protectrice permettant une incorporation monotone (jusqu’à 18%) à très faible dommage (D:G < 0.3). Les espèces azotées sont néanmoins faiblement liées de sorte que le transfert vers un substrat de SiO2 engendre une perte importante (> 80%) de la teneur en azote. Des considérations d’inhomogénéité de surface des films de graphène ont motivé le développement d’une nouvelle méthode d’analyse des cartographies Raman obtenues par un imageur hyperspectral. L’étude des spectres Raman au niveau des domaines versus aux joints de grains ont permis de mettre en évidence un mécanisme d’auto-réparation des joints de grains relié à l’anisotropie de la migration des adatomes de carbone en surface. L’accumulation de ceux-ci aux joints de grains mène à une émission d’adatomes responsable de l’annihilation de paires de Frenkel. Dans les plasmas azotés, il s’avère que ce mécanisme est également responsable d’une incorporation sélective d’azote aux domaines de croissance du graphène. Lorsque amorphisé, le dopage sélectif s’estompe puisque le transport des adatomes de carbone aux joints de grains, ainsi que l’accumulation essentielle au processus d’auto-réparation, deviennent entravés. Finalement, la recombinaison en surface d’atomes d’azote et la désexcitation de métastables N2(A) sont identifiés comme principaux agents pour la production de dommages dans la post-décharge en flux d’azote. Un modèle d’incorporation impliquant la formation de dommages et l’adsorption d’atomes d’azote est proposé. En présence d’espèces oxydantes dans la post-décharge d’azote, la formation de dommages demeure limitée par les populations de N et de N2(A). This thesis project deals with the treatment of graphene films in the flowing afterglow of microwave nitrogen plasmas at reduced pressure. Various surface contamination considerations were found to be crucial for this work. For example, in the presence of hydrocarbons, the treatments in the different regions of the afterglow show distinct damage production, nitrogen incorporation and contaminant functionalization profiles. The aggressive treatment offered by the early afterglow results in the formation of amorphous graphene-hydrocarbon complexes responsible for a sharp increase in the nitrogen content (up to 49%) at moderate disorders (D: G = 1.3). For the treatments in the late afterglow, the hydrocarbons act as a protective layer, allowing a monotonic incorporation (up to 18%) with very low damage (D: G < 0.3). Nitrogenous species are found to be weakly bound so that transfer to an SiO2 substrate generates a significant loss (>80%) of the nitrogen content. Considerations of surface inhomogeneity of graphene films have motivated the development of a new analysis method of Raman maps obtained by hyperspectral imager. The study of Raman spectra at growth domain versus grain boundary has revealed a self-healing mechanism of grain boundaries linked to the anisotropy of the migration of carbon adatoms at the surface. The accumulation of these at grain boundaries leads to an emission of atoms responsible for the annihilation of Frenkel pairs. In nitrogenous plasmas, this mechanism is also found to be responsible for the selective incorporation of nitrogen into the growth domains of the graphene. For amorphous graphene, selective doping fades as the transport of carbon adatoms to grain boundaries, and therefore the accumulation essential to the self-healing process, becomes impeded. Finally, the surface recombination of nitrogen atoms and the de-excitation of metastable N2(A) are identified as the main agents defect generation in the nitrogen flowing afterglow. An incorporation model involving the formation of damage and adsorption of nitrogen atoms is proposed. In the presence of oxidizing species in the nitrogen afterglow, damage formation remains limited by populations of N and N2(A).

Keyphrases: plasmas pression réduite, post-décharge en flux d'azote, diagnostics spectroscopiques des plasmas, graphène, caractérisation des matériaux, reduced pressure plasmas, nitrogen flowing afterglow, spectroscopic plasmas diagnostics, graphene, material characterisation