APPLICATIONS | GRAPHÈNE CVD SUR CUIVRE


 

Le graphène, cette couche bidimensionnelle d'atomes de carbone, a attiré beaucoup d'attention dans les dernières années en raison de ses propriétés optiques, électriques et mécaniques exceptionnelles. Cependant, malgré de nombreux efforts, la production de grandes surfaces de graphène par dépôt chimique en phase vapeur (CVD - chemical vapor deposition) demeure un défi de taille. En effet, malgré des conditions de croissance identiques, la taille des grains, le nombre de couches, et la densité de défauts varient considérablement d'un échantillon à l'autre et d’un groupe de recherche à l’autre. Afin d'obtenir des couches de graphène homogènes sur une grande échelle,  le groupe de recherche du Pr. Richard Martel (Université de Montréal) a étudié le rôle des impuretés oxydantes et de l'hydrogène présents lors de la croissance du graphène par CVD. Une série de croissances ont été réalisées en utilisant des mélanges de H2 / CH4, de H2 purifié / CH4 non purifié, et de Ar / CH4 purifiés ainsi qu’avec du CH4 seul purifié et non purifié. Pour plus de détails sur les méthodes de fabrication voir [1].

Dans un premier temps, des images SEM et LEEM ont été collectées. Ces techniques ont été employées pour obtenir de l’information sur l’uniformité de l’échantillon. Elles ont permis de déterminer quand l’absence d’impuretés oxydantes, l’hydrogène n’était pas nécessaire à la croissance de couches complètes de graphène. Afin d’étudier plus en profondeur le nombre de couches et la qualité des échantillons de graphène, des mesures de spectroscopie Raman ont été réalisées. Cette analyse Raman a mis de l’avant une bande 2D intense par rapport à une bande D faible en intensité, un signe de la grande qualité des couches de graphène. En plus des bandes G (1590 cm-1) et D (1350 cm-1) charactéristiques du graphène, deux modes, R (~1455 cm-1) et D’ (~1625 cm-1), étaient également présents. Ces bandes dénotent la présence de multicouches crues avec des angles aléatoires entres elles.

Afin d’évaluer de manière rigoureuse les propriétés structurelles des échantillons de graphène, des mesures d’imagerie Raman hyperspectrale ont été réalisées sur les deux procédures de croissances opposées : la procédure originale contenant du CH4 et du H2 non purifié (FIG.1 a) et la procédure impliquant seulement du CH4 purifié (FIG. 1 b). Cette étude a été accomplie avec la plateforme d’imagerie hyperspectrale RIMA™ basé sur une technologie de filtre à réseaux de Bragg. Lors de ces mesures, un laser CW à λ = 532
 nm illumine une aire de 100 × 100 μm2 via un objectif 100 X. La densité d’excitation est de 150 μW/μm2 et la résolution est limitée par la diffraction.


La figure 1 présente des images Raman (a-b) de la bande G du graphène accompagnées des spectres Raman (c-d) pris à différents endroits sur l’échantillon. Les variation d’intensités de la bande G fournit de l’information sur l’empilement des couches. Les changements les plus significatifs en intensité observés à la figure 1 b peuvent être expliqué par une résonance résultant de l’angle (13.5° at λexc = 532 nm [2]) entre les couches de graphène. L'augmentation de l'intensité de la bande G et l'apparition des bandes R et D' indiquent que les couches de graphène  sont principalement présents dans des conditions purifiés.

[1] Choubak S., Levesque P. L., Gaufres E., Biron M., Desjardins P., Martel R., Graphene CVD : Interplay Between Growth and Etching on Morphology and Stacking by Hydrogen and Oxidizing Impurities, The Journal of Physical Chemistry C, 2014, 18.

[2] Havener R. W., Zhuang H. L., Brown, L., Hennig, R. G., Park, J., Angle-Resolved Raman Imaging of Interlayer Rotations and Interactions in Twisted Bilayer Graphene. Nano Letters. 2012, 12.


 

Ces résultats seront présentés lors de la prochaine conférence du MRS à Boston:  le 4 décembre, Laura-Isabelle Dion-Bertrand discutera de «Graphene CVD on Copper Characterized by Global Hyperspectral Raman Imaging». La conférence a lieu à 8:30 am (Q14.03) au centre de convention Hynes.

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