Étude de la cinétique de croissance du graphène en conditions purifiées

Abstract

La synthèse du graphène par CVD (Dépôt Chimique en phase Vapeur) est devenue la méthode la plus utilisée pour obtenir une monocouche de graphène de haute qualité. Néanmoins, de nombreuses inconnues persistent et le mécanisme de croissance reste vague. Les conditions de croissance varient entre les différents groupes de recherche et cela complique la tâche davantage. Sans contrôle précis de la pureté des gaz, la compréhension du rôle de chaque paramètre restera hors d’atteinte. Notre démarche a été de supprimer de l’équation les impuretés entrant en jeu dans la réaction afin de nous concentrer sur le mécanisme de la croissance. Cela afin de pouvoir aborder de manière objective le rôle des paramètres de la croissance comme la pression des gaz et la température de croissance. Nous avons ainsi procédé à de nombreuses croissances d’échantillons de graphène afin de les observer au MEB (Microscope Électronique à Balayage) pour en extraire l’information nécessaire à l’analyse du rôle des paramètres. Ainsi, nous avons pu étudier l’effet de la pression de méthane sur le taux de croissance du graphène et de valider un modèle cinétique de la croissance dans des conditions purifiées. Ceci nous a permis d’observer deux régimes de croissances des grains de graphène, l’un linéaire en début de croissance jusqu’à 40% de couverture où un régime de saturation prend place. Ces deux régimes sont attribués à l’effet catalytique du substrat de cuivre qui est peu à peu recouvert. L’effet de la température sur la cinétique de croissance a également été étudié et a permis de déterminer les énergies d’activation liées au mécanisme de germination (2,2 ± 0.2 eV) et de croissance des grains (1,2 ± 0,1 eV). En validant le modèle cinétique de croissances purifiées, nous savons désormais contrôler la croissance de graphène à un niveau jamais atteint auparavant et nous connaissons le comportement des grains à chaque instant de la croissance.

The synthesis of graphene via CVD (Chemical Vapor Deposition) has become the goto method to grow high-quality monolayer graphene. Still, numerous parameters stay unknown and growth mechanism isn’t solved. Different growth conditions between groups make it hard to rationalize the research. Without precise control of gas purity, it will be impossible to understand the role of each parameter. Our work focused on the suppression of impurities during growth to get a clear picture of the growth mechanism. This way, we obtain an objective view of each parameter during the growth, like gas pressure and growth temperature. We synthesized and characterized a large number of graphene samples using the SEM (Scanning Electron Microscope) in order to extract the information needed to analyze the growth parameters. We were able to study the effect of methane pressure on the growth rate, leading to the validation of our growth kinetics model in purified conditions. Two different regimes were observed for graphene grains growth. The first is a linear growth regime until graphene coverage reaches 40% where a saturation regime takes place. These two regimes are the result of the catalytic activity of the copper substrate getting more and more covered. The effect of growth temperature on kinetics was studied and helped us determine the activation energies related to the nucleation process (2.2 ± 0.2 eV) and grain growth (1.20 ± 0.1 eV). By validating the kinetic model of purified growths, we have attained an unprecedented level of control on graphene growth, we know the behavior of graphene grains at every moment of the growth.