Functionalization of two-dimensional nanomaterials based on graphene

par Yu-Pu Lin

Thèse de doctorat en Matière condensée et Nanosciences

Sous la direction de Jean-Marc Themlin et de Younal Ksari.

Le président du jury était Christophe Bichara.

Les rapporteurs étaient Laurent Simon, Robert Sporken.

  • Titre traduit

    Fonctionnalisation de nano-matériaux bidimensionnels à base de graphène


  • Résumé

    Cette étude de la fonctionnalisation de graphène se base principalement sur la monocouche de graphène épitaxiée sur SiC. Les propriétés électroniques, structurales et les compositions chimiques du graphène fonctionnalisé sont étudiées. L'incorporation d'azote dans le graphène réalisée par les procédures à base de plasma montre un décalage de niveaux inoccupés du graphène vers EF , obtenue par les analyses spectroscopie de photoémission inverse en résolution angulaire. Ce dopage-n est attribué à la présence de graphitique-N. De plus, la configuration des espèces de N substitués dans le graphène peut être contrôlée efficacement par l'énergie, les espèces d'azote incidentes, et l'épaisseur du graphène de départ. L'hydrogénation de la couche tampon de graphène (BLG) à température variante sature les liaisons pendantes de Si de l'interface différemment, soit par la formation de nouvelles liaisons C-Si à température ambiente, soit par les hydrogènes intercalés. Le BLG devient fortement-isolant dans le premier cas, et devient une monocouche de graphène quasi-autoportante (QFSG) dans le second, permettant un nouveau concept de fabrication des dispositifs à base de graphène sur SiC. La réaction/couplage entre des molécules pi-conjugué et les graphène vierge ou fonctionnalisé est aussi étudiée. Les états inoccupés des molécules à base de perylene sont légèrement modiffiées sur le graphène dopé N à cause d'un renforcement de transfert de charge. Des réactions chimiques entre les molécules perylenes et le graphène sont observées aprés l'exposition aux électrons de basse énergie. En résumé, cette étude permettra une meilleure maîtrise des propriétés des matériaux 2D comme le graphène.


  • Résumé

    In order to promote 2D materials like graphene to their numerous applications, new methodsaltering their electronic and chemical properties have to be mastered. In this thesis, theprocesses of chemical doping and hydrogenation of monolayer graphene grown on SiC are investigated. Nitrogen atoms are successfully substituted in the graphene lattice using plasma-basedmethods. The bonding configurations 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 buffer layer of graphene (BLG) on SiC at ambient or high temperatures saturate the remaining Si dangling bonds at BLG/SiC interface in two different 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 help to faster further applications employing functionalized graphene.

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