Soutenance de doctorat de Charles Moderie

Contrôle de l'apport d'énergie dans l'interaction plasma-graphène: formation de défauts et chimie de surface

Cette thèse de doctorat vise à approfondir les connaissances sur l’interaction plasma-graphène en explorant divers régimes de plasmas. Dans un premier temps, une décharge à barrière diélectrique (DBD) dans l’azote à la pression atmosphérique a été caractérisée et utilisée pour étudier la cinétique de production de défauts et d’incorporation d’atomes d’azote dans le graphène à partir des espèces neutres et chargées (N,N2(A),N2+). Dans le cas d’une DBD en régime diffus, nous avons observé une augmentation de la densité de défauts avec le temps de traitement ; ceux-ci étant principalement créés par la désexcitation collisionnelle des espèces métastables N2(A) avec une contribution négligeable de l’irradiation ionique. La formation de défauts s’est d’ailleurs révélée être le facteur limitant pour la nitruration du graphène, avec des degrés d’incorporation N/C de l’ordre de quelques pourcents. En répartissant l’apport d’énergie fournie au graphène soit de manière continue, par exemple avec un traitement de 30 s, soit de manière séquentielle, par exemple avec 6 traitements de 5 secondes avec de longs temps de pause entre chacun, nous avons montré que la densité de défauts était plus importante dans le régime continu que séquentiel. Ce comportement résulte d’un mécanisme d’autoréparation associé à la présence et à la mobilité d’adatomes de carbone. Cependant, le degré d’incorporation N/C est plus important dans le régime continu que séquentiel; un schéma réactionnel basé sur la formation de défauts de type Stone-Wales est proposé pour expliquer ce résultat. Ensuite, l’apport d’énergie de manière homogène dans une DBD diffuse versus local dans une DBD homogène a été étudié en modifiant la forme du signal de la tension appliquée. Les résultats confirment l’importance du régime diffus pour la nitruration du graphène, avec une amorphisation rapide du graphène suivant son exposition à des microdécharges. Puis, pour élargir les possibilités pour la fonctionnalisation du graphène, un plasma microonde d’Ar-SF6 à pression réduite a été caractérisé et utilisé. Les travaux ont permis de mettre de l’avant l’impact de la composition ionique du plasma pour la formation de défauts. De plus, contrairement aux traitements dans le plasma d’azote, la fluoration n’est pas liée à la présence de défauts et dépend uniquement de la dose de fluor fournie à la surface. Finalement, un nouveau procédé basé sur un plasma microonde avec une source de soufre solide a été développée et caractérisée pour la sulfuration du graphène. Dans ces conditions, nous avons noté une compétition entre des mécanismes de gravure, de fonctionnalisation et de dépôt.