Etude et développement d'un réacteur micro-plasma à haute pression pour la synthèse d'hétérostructures de couches 2D de nitrure de bore et graphène

Micro-Plasma synthesis of heterostructures of 2D films of Boron Nitride and Graphene

• Auteur / Autrice : Abd-Almalik Halfaoui
• Direction : Stéphane Pasquiers
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay

Mots clés

Mots clés libres

Micro-plasmas

Couches 2D

Nitrure de bore

Graphène

Plasmas froids

Graphene

Non-thermal plasmas

2D films

Boron Nitride

Micro-plasmas

Résumé

Cette thèse vise à développer un nouveau réacteur micro-plasma à haute efficacité énergétique fonctionnant à haute pression (100s mbar) et à basse température (<800 °C) pour la synthèse sur grandes surfaces (10s cm2) de films et d'hétérostructures de nitrure de bore hexagonal (h-BN) et de graphène (Gr), et à comprendre les mécanismes impliqués dans ce processus de dépôt par plasmas réactifs. Le Gr, en raison de ses propriétés supérieures et novatrices, est un matériau de choix pour une large gamme d'applications technologiques prometteuses en nano et optoélectronique, en énergie, et en médecine, entre autres. N'ayant qu'une seule couche d'atomes, le Gr est vulnérable aux perturbations du substrat sur lequel il est déposé, qui peuvent altérer ou détruire de manière significative ses propriétés exceptionnelles. Pour contrer l'influence du substrat, il est possible de suspendre le Gr ou de l'encapsuler dans un matériau afin de préserver ses propriétés. Les couches de h-BN maintenant les propriétés électroniques exceptionnelles du Gr, l'encapsulation dans du h-BN peut potentiellement conduire à des technologies disruptives et devenir une plate-forme tant attendue pour la nanophotonique et la spintronique 2D et le traitement quantique de l'information. En dépit du potentiel de ce matériau stratégique pour des futures applications à fort potentiel, les communautés scientifiques et industrielles n'ont pas encore de méthode de croissance efficace permettant le dépôt sur de grandes surfaces d'hétérostructures h-BN/Gr/h-BN de haute qualité. En particulier, un des problèmes critiques réside dans la capacité à dissocier suffisamment et efficacement un précurseur contenant du carbone ou de l'azote, afin qu'il puisse réagir et contribuer à la croissance de films de Gr et de h-BN, respectivement. Cela implique généralement l'utilisation de températures de croissance très élevées, entraînant une moindre efficacité énergétique et des coûts environnementaux et financiers plus élevés. Cependant, l'activation de la phase gazeuse avec une source plasma est un moyen d'améliorer la dissociation chimique des précurseurs tout en abaissant le budget thermique, car les électrons énergétiques générés par le plasma boostent la dissociation à température relativement basse. Lors de cette thèse, un nouveau procédé de dépôt utilisant de nouvelles matrices de micro-décharges à cathode creuse (MHCD), fonctionnant séquentiellement dans des mélanges gazeux de N2-Ar et CH4-Ar, pour la synthèse de h-BN (en utilisant également des précurseurs de bore) et de Gr, respectivement, sera étudié et développé. Les micro-plasmas n'étant pas à l'équilibre thermodynamique, il est possible de réduire considérablement la température de dépôt, et leur haute densité d'électrons (10^16 cm-3) peut conduire à un haut degré de dissociation des précurseurs. Une attention particulière sera consacrée à l'étude des propriétés physico-chimiques du réacteur micro-plasma fonctionnant dans des gaz réactifs (N2,CH4), en fonction des paramètres du procédé, à travers des approches expérimentales et de modélisation complémentaires, visant à produire des densités très élevées d'azote atomique et de radicaux de carbone C2, éléments clés pour le dépôt et la croissance de films de h-BN et de Gr, respectivement. Cette thèse sera réalisée dans le cadre du programme de recherche collaborative PlasBoNG, impliquant 3 partenaires nationaux français (LPGP, LSPM et GREMI), et financé par l'ANR (750k €) pendant 4 ans (2021-2025).

This PhD thesis aims to develop a new energy-efficient micro-plasma reactor operating at high pressure (100s mbar) and low temperature (< 800 °C) for the synthesis of large surface areas (10s cm2) of films and heterostructures of hexagonal boron nitride (h-BN) and graphene, and to understand the mechanisms involved in that deposition process using reactive plasmas. Graphene, because of its superior and novel mechanical, electronic, optical, thermal, magnetic and chemical properties, is a material of choice for a wide range of promising technological applications in nano- and opto-electronics, energy generation and storage, and medicine, among others. Being only one atom thick, graphene is vulnerable to perturbations from its supporting substrate, which can significantly alter or destroy its exceptional properties. To counteract the influence of the substrate, one could suspend graphene or encapsulate it in a material that preserves its properties. As h-BN buffer layers preserve the exceptional electronic properties of graphene, encapsulating it in h-BN can, thus, potentially lead to disruptive technology and is emerging as the long-awaited platform for 2D nanophotonics, spintronics and quantum information processing. Despite being a strategic material for future high-potential applications, the scientific and industrial communities still lack an efficient growth method allowing the deposition of high quality heterostructures of films of graphene encapsulated in h-BN (h-BN/graphene/h-BN) on large surfaces. In particular, one critical issue is the ability to sufficiently and efficiently dissociate a carbon- or nitrogen-containing precursor, so that it can react and contribute to the growth of films of graphene or h-BN, respectively. This usually implies the use of very high growth temperatures, causing lower energy efficiency and higher environmental and financial costs. However, activating the gas phase with a plasma source is a way to improve the chemical dissociation of the precursors while lowering the thermal budget, as the energetic electrons generated by the plasma boost the dissociation at relatively low temperature. In this PhD thesis, a new deposition process using novel arrays of Micro-Hollow Cathode Discharges (MHCD), operated sequentially in gas mixtures of N2-Ar and CH4-Ar, for the synthesis of h-BN (using also boron-containing precursors) and graphene, respectively, will be studied and developed. Since micro-plasmas are not in thermodynamic equilibrium, it is possible to considerably reduce the deposition temperature. Another advantage of micro-plasmas is their high electron densities (up to 10^16 cm-3) that can lead to a high dissociation degree of the precursors. A special attention will be devoted to the study of the physico-chemical properties of the micro-plasma reactor running in reactive gases (N2, CH4) as a function of the operating parameters, through complementary experimental and modeling approaches, aiming the production of the highest atomic nitrogen and carbon radicals C2 densities, key parameters for the deposition and growth of h-BN and graphene films, respectively. This PhD thesis will be carried out as part of the PlasBoNG collaborative research program, involving 3 French national partners (LPGP, LSPM and GREMI), and funded by the ANR (750k €) for 4 years (2021-2025).