Ingénierie des propriétés optoélectroniques du graphène

Engineering of graphene optoelectronic properties

• Auteur / Autrice : Hakim Arezki
• Direction : Jean-Paul Kleider
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/05/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Massimiliano Marangolo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Paul Kleider, Massimiliano Marangolo, Dominique Vignaud, Sylvie Contreras, Pere Roca i Cabarrocas, Mohamed Boutchich
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Vignaud, Sylvie Contreras

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes photovoltaïques

Spectroscopie Raman

Hétérostructures

Graphène

Mots clés libres

Graphène

Dopage chimique

Hétérostructure Gr/Silicium

Graphene

Chemical Doping

Gr/Silicon Heterostructures

Résumé

Ce travail s’est articulé autour de la modulation des propriétés électroniques du graphène. Un des objectifs visés étant la conception d’électrodes transparentes pour des applications photovoltaïques. Différentes techniques de dopage ont été utilisées pour la modulation du travail de sortie (WF) et de la mobilité électronique comme l’incorporation d’azote in-situ lors de la croissance, l’incorporation d’azote ex-situ par acide nitrique et acide aurique. Diverses techniques de caractérisation ont été employées notamment la microscopie à force atomique AFM/CPAFM, la spectroscopie Raman, la spectroscopie photoélectronique (XPS et UPS), les mesures de transport électrique par effet Hall et effet de champ. Ces techniques nous ont permis de déterminer l’homogénéité, la qualité cristalline, la variation de densité de charges électronique, la résistance électrique et la mobilité électronique des différents matériaux intrinsèques et dopés. Par ailleurs, nous avons montré qu’il était possible de moduler le travail de sortie du graphène CVD en déposant par PECVD du silicium amorphe dopé N ou P sans endommager le graphène. Cette approche présente un intérêt particulier pour la substitution de l’ITO par le graphène en tant qu’électrode transparente. Les mesures de transport électronique ont mis en évidence un transfert de charges à l’interface de l’hétérojonction graphène/silicium amorphe. Cette variation dépend non seulement du type du dopage du silicium amorphe mais aussi de la cristallinité de ce dernier, ainsi peut-on espérer réduire la résistivité d’une électrode pour cellule photovoltaïque.

This work was structured around the modulation of the electronic properties of graphene obtained via the CVD growth on copper substrate and/or the graphitization of the carbon atoms in the SiC substrate. One of the objectives was the design of electrodes (front or rear) for photovoltaic cells, among other applications. Different doping techniques have been implemented for modulating the work function (WF) and the electron mobility i.e. the incorporation of nitrogen in-situ during the growth, ex-situ incorporation by nitric acid and/or nano gold colloids (AuCl3). In this work, various characterization techniques were employed including atomic force microscopy (AFM), Raman spectroscopy, photoelectron spectroscopy (XPS and UPS), electrical transport measurements by Hall and field effect. These techniques have enabled us to determine the homogeneity , thecrystalline quality of the material, the carrier density, the electrical resistance and the electron mobility of different intrinsic and doped samples. Furthermore, we showed that it is possible to modulate the WF graphene by fabricating a heterostructure composed of PECVD amorphous silicon doped N or P deposited onto the graphene. This approach is of particular interest for replacement of ITO with graphene as transparent electrode. This result was confirmed by the study detailed spectra of the XPS and Raman vibrational states. The electronic transport measurements showed a charge transfer at the interface of the heterojunction graphene/amorphous silicon. The variation observed depends not only on the type of doping of the amorphous silicon but also on the crystallinity of the latter. This approach can readily be adapted to photovoltaic devices.