Physical Response of Graphene Layers at Extreme Pressure

par Alexis Forestier

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Alfonso San Miguel, Colin Bousige et de Denis Machon.

Soutenue le 16-12-2020

à Lyon , dans le cadre de École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon , en partenariat avec Institut Lumière Matière (équipe de recherche) et de Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d’inscription) .

  • Titre traduit

    Réponse Physique de Feuillets de Graphène sous Pression Extrême


  • Résumé

    Nous avons étudié sous haute pression la réponse physique du graphène et d’échantillons de graphite mince (nanographites). Les échantillons ont été comprimés en cellules à enclumes de diamant (jusqu’à∼10 GPa) et sondés par spectroscopie Raman in-situ, afin de mesurer la déformation et la concentration de charges dans les plans de graphène pendant la compression. Nous avons étudié un système de graphène bi-couche12C/13C isotopiquement modifié (supporté sur SiO2/Si), permettant de mesurer séparément la réponse Raman de chaque couche à haute pression. Nous avons observé des effets d’asymétrie en terme de déformation biaxiale et de dopage entre les deux couches, qui dépendent de la nature chimique et de l’état du milieu transmetteur de pression. Nous avons développé de nouvelles méthodes expérimentales dans le but d’étudier des échantillons de graphène suspendus à haute pression, afin de nous affranchir de l’effet du substrat. La méthode la plus efficace est basée sur le transfert d’échantillons par tamponnage viscoélastique sur des substrats SiO2/Si préusinés et préalablement fixés sur l’enclume en diamant. Des expériences préliminaires ont été réalisées sur des échantillons de nanographite suspendus à haute pression. Dans le cas de nanographites supportés sur des substrats SiO2/Si qui améliorent le contraste optique, nous avons observé par microscopie un effet inattendu de plissement et de détachement des échantillons lorsque le méthanol est utilisé comme milieu transmetteur de pression. Nos résultats ont permis d’observer, de quantifier et même de décorréler les effets de l’environnement sur la réponse physique du graphène à haute pression


  • Résumé

    We have studied the physical response of graphene and thin graphite (nanographites) under extreme pressure. Samples were compressed up to∼10 GPa using diamond anvil cells and probed by in-situ Raman spectroscopy, allowing to measure their inplane strain and charge concentration during compression. Isotopically labeled 12C/13C bilayer graphene samples supported on SiO2/Si were investigated at high pressure, allowing to measure separately the Raman response from each adjacent graphene layer. Strain and doping mismatches (asymmetries) were observed between the two layers, depending the chemical nature and the physical state of the pressure transmitting medium used for compression. New experimental methods were developed with the goal to study singled suspended graphene samples at high pressure, avoiding the effect of the substrate. One technique proved to be efficient, using sample drystamping transferon premachined SiO2/Si substrates fixed before hand on the diamond anvil. Proof-of-concept experiments on suspended nanometric thin graphite samples were achieved. We optically observed an unexpected wrinkling and detachment effect by studying compressed nanographites samples supported on contrast-enhancing SiO2/Si substrates when methanol is used as pressure transmitting medium. Our results have allowed to observe, quantify and even disentangle the different effects of the environment on the physical response of graphene under high pressure


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