Graphène et matériaux 2D : techniques de transfert, fabrication d'hétérostructures et applications

Graphene and 2D materials : transfer techniques, heterostructures fabrication and applications

• Auteur / Autrice : Soukaina Ben Salk
• Direction : Henri Happy, Emiliano Pallecchi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-onde
• Date : Soutenance le 25/06/2020
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transport des électrons, Théorie du

Exfoliation

Hétérostructures

Encapsulation (électronique)

Nitrure de bore

Propriétés électriques

Croissance

Graphène

Mots clés libres

Substrats métalliques

Exfoliation électrochimique

Graphene

Résumé

L’excellente mobilité du graphène en fait un matériau de choix pour les applications radiofréquence. Cependant, cette mobilité est limitée expérimentalement par les défauts structuraux et environnants introduits par la croissance du matériau sur substrat métallique, la méthode de transfert sur un support hôte, l’interaction du graphène avec le substrat hôte sur lequel il est transféré et par les procédés de fabrication des composants. Cette thèse, cofinancée par la Région Hauts-de-France, a pour objectif de remédier à ces problèmes afin de rendre le graphène pratiquement insensible à son environnement. Elle est constituée de deux grandes parties : (i) Le transfert par exfoliation électrochimique (transfert humide) des monocristaux de graphène millimétriques (~5mm) synthétisés par CVD ainsi que leur caractérisation physique et électrique ; cette étude est réalisée dans le cadre d’un programme d’échange entre l’IEMN et l’Université d’Irvine en Californie (Programme PUF-Partner University Funding-portant sur le développement de l’électronique flexible). (ii) La fabrication et la caractérisation d’hétérostructures hBN/Graphène/hBN par transfert sec de matériaux exfoliés. Bien que la méthode CVD (Chemical Vapor Deposition) ait permis récemment l’obtention de larges monocristaux de graphène ayant une très haute qualité sur cuivre ; le transfert vers un substrat SiO2 introduit généralement des défauts et des contaminations dans le graphène résultant en des dispositifs de basses performances. Une première partie du travail mené dans cette thèse a permis de développer et mettre au point au sein du laboratoire un système de transfert fiable du graphène CVD. La méthode utilisée est basée sur une approche d’exfoliation électrochimique exploitant l’effet des bulles générées à l’interface graphène/Cu. L’optimisation de cette approche nous a permis de transférer des cristaux de graphène en préservant leur qualité. Enfin, la caractérisation électrique de dispositifs fabriqués sur des cristaux de graphène a permis d’obtenir une résistance de contact relativement basse attestant de la bonne qualité du graphène transféré. Afin de limiter l’interaction du graphène avec son environnement et ainsi préserver sa haute mobilité, l’encapsulation par du nitrure de bore hexagonale hBN permet de satisfaire ce besoin. La croissance de grandes surfaces du hBN étant toujours un grand défi scientifique, l’exfoliation mécanique est une approche de synthèse nécessaire pour la réalisation de ces héterotructures de type Van der Waals. La seconde partie du travail mené dans cette thèse a permis de développer (de la conception à la réalisation) et de mettre en place au sein du laboratoire une plateforme de nano manipulation « Stamping Set-up » dédiée à l’empilement des matériaux 2D ainsi que le développement d’un procédé d’encapsulation du graphène par transfert sec. Différents échantillons ont été fabriqués avec succès en utilisant du graphène monocouche et bicouche. Les caractérisations morphologiques et structurelles ont permis de montrer que le graphène après encapsulation présente de très faibles valeurs de dopage et de variations de contraintes à l’échelle nanométrique. Ce qui promet des valeurs de mobilité élevées. Ces travaux fournissent une voie vers l’obtention de graphène de grande qualité qui constitue une brique essentielle pour le développement de dispositifs électroniques à base d’hétérostructures de matériaux 2D.

The high theoretical mobility of graphene makes it an excellent material for radio frequency applications. However, this mobility is limited by structural defects introduced by material growth techniques, the transfer method from metallic substrates to hosting semiconductor substrates, the fabrication processes of devices as well as the interaction of graphene with hosting substrate. This thesis aims to address these issues in order to make graphene practically insensitive to its environment. There are mainly two parts involved in this work: (i) Transfer by electrochemical exfoliation (wet transfer) of millimetre size single domains of graphene (~ 5mm) synthesized by CVD as well as their physical and electrical characterization; this study is part of an exchange program between the IEMN and the University of Irvine-California (PUF-Partner University Funding Program-on the development of flexible electronics). (ii) Fabrication and characterization of hBN/Graphene/hBN heterostructures by dry transfer of exfoliated materials. Although the CVD (Chemical Vapor Deposition) method made it possible to obtain large single crystals of graphene on copper; the mandatory transfer to SiO2 substrate generally introduces defects and contaminations in graphene resulting in low performance devices. A reliable transfer system for CVD graphene is developed and optimized for cleanroom use. The method used is based on an electrochemical exfoliation approach known as Bubble transfer. By optimizing this approach, we were able to transfer graphene single domains without structural defects. Finally, the electrical characterization of devices based on the transferred graphene crystal made it possible to obtain a relatively low contact resistance owing to the good quality of the transferred graphene. In order to limit the interaction of graphene with its environment and thus preserve its high mobility, encapsulation with hexagonal boron nitride hBN makes it possible to satisfy this need. The fabrication of these Van der Waals heterostructures is performed using mechanically exfoliated materials because the growth of large areas hBN is still considered a great scientific challenge. An experimental nano-manipulation platform “Stamping set-up” dedicated to the stacking of 2D materials is developed (from design to realization) as well as a process for graphene encapsulation by dry transfer. Different samples have been successfully fabricated using monolayer and bilayer graphene. Morphological and structural characterizations have shown that graphene after encapsulation shows very low doping values and uniform strain at the nanometre scale; which promises high mobility values. This work paves the way towards obtaining high quality graphene which is an important part for the development of electronic devices based on heterostructures of 2D materials.