Mise au point d'une méthode pour étudier les effets du dopage et des défauts sur le spectre Raman du graphène

Abstract

Depuis la première synthèse du graphène, la spectroscopie Raman s'est imposée comme un standard pour la caractérisation de celui-ci. Le dopage et les défauts du graphène ont tous deux été étudiés abondamment à l'aide de spectromètres Raman en configuration confocal. Cependant, l'origine de toutes les bandes dans le spectre Raman du graphène n'est pas encore totalement comprise. Les bandes liées à la présence de défauts impliquent des processus de deuxièmes ordres qui se complexifient davantage avec le dopage du graphène. Aussi, la configuration confocal n'offre aucune information spatiale sur l'échantillon. Il est possible de générer une carte Raman par la prise de mesure point par point, mais ceci est un processus long et laborieux. Le RIMA, un appareil conçu dans le laboratoire du professeur Martel en collaboration avec Photon Etc, permet de pallier à ce problème. Avec un peu plus d'un million de spectres Raman mesurés en quelques heures sur une grande région, le RIMA permet de générer des cartes Raman d'une qualité exceptionnelle. Le RIMA est alors l'outil de choix pour l'étude présentée dans ce mémoire.

L'objectif de ce mémoire est de mettre au point une méthode pour étudier l'effet du dopage et des défauts sur le spectre Raman du graphène. Pour obtenir des échantillons propices à l'étude, certains paramètres de la croissance du graphène par dépôt chimique en phase vapeur ont été étudiés. Le graphène a été dopé avec le couple oxydoréducteur Pt/PtO et des solutions tampons. Des cartes Raman ont été produites avec le RIMA. Ces cartes ont été prises à trois niveaux de dopage avant et après bombardement par ions d'argon.

Les expériences sur la croissance ont permis d'obtenir des échantillons qui contiennent peu de bicouches, ce qui a permis de prendre des mesures sans tenir compte de leurs effets. Le dépôt de platine a été optimisé pour obtenir des particules dispersées de façon uniforme sur l'échantillon. Le dopage par le couple oxydoréducteur n'a pas été aussi efficace qu'attendu. L'analyse des cartes Raman a permis de révéler que le bombardement ne donne pas un résultat uniforme sur l'échantillon. L'hypothèse proposée pour expliquer l'écart du dopage et la non-uniformité des défauts est la présence de résidus de polymères à la surface du graphène avant le dépôt de platine. Ces résidus affecteraient le transfert de charge lors du dopage du graphène et protégeraient l'échantillon des ions d'argon lors du bombardement.

Since the first synthesis of graphene, Raman spectroscopy has become a standard for its characterization. Both doping and defects in graphene have been studied extensively using Raman spectrometers in confocal configuration. However, the origin of all bands in the Raman spectrum of graphene is not yet fully understood. The bands related to the presence of defects involve second order processes that become more complex with the doping of graphene. Also, the confocal configuration does not offer any spatial information on the sample. It is possible to generate a Raman map by taking point by point measurements, but this is a long and laborious process. The RIMA, a device designed in Professor Martel's laboratory in collaboration with Photon Etc, overcomes this problem. With a little more than a million Raman spectra measured in a few hours over a large area, the RIMA allows to generate Raman maps of exceptional quality. The RIMA is then the tool of choice for the study presented in this master's thesis.

The objective of this master's thesis is to develop a method to study the effect of doping and defects on the Raman spectrum of graphene. To obtain suitable samples for the study, some parameters of graphene growth by chemical vapor deposition were studied. Graphene was doped with the redox couple Pt/PtO and buffer solutions. Raman maps were produced with the RIMA. These maps were taken at three doping levels before and after argon ion bombardment.

Growth experiments yielded samples with few bilayers, allowing measurements to be taken without regard to their effects. Platinum deposition was optimized to obtain uniformly dispersed particles on the sample. Doping with the redox couple was not as effective as expected. The analysis of the Raman maps revealed that the bombardment does not give a uniform result on the sample. The hypothesis proposed to explain the doping discrepancy and the non-uniformity of the defects is the presence of polymer residues on the graphene surface before the platinum deposition. These residues would affect the charge transfer during the doping of the graphene and would protect the sample from argon ions during the bombardment.