Le graphène est un matériau prometteur pour de nombreuses applications du fait de ses propriétés électriques, thermiques et mécaniques exceptionnelles. Cependant, à la fois les propriétés et les rendements des graphènes et dérivés (few-layer graphene, oxyde de graphène, oxyde de graphène réduit, etc.) sont très variables et dépendants de la méthode de production utilisée. De ce fait, la méthode de production doit être développée en accord avec les besoins liés à l'application visée. Dans ces travaux de thèse, différents nanomatériaux dérivés du graphène ont été préparés avec succès en employant deux méthodes différentes, l'exfoliation en milieu liquide et la synthèse directe par dépôt chimique catalytique en phase vapeur (CVD). Ces deux méthodes sont prometteuses en termes de qualité, de possibilité de production à grande échelle, de cout de production et enfin d'applications des différents "graphènes" obtenus.
D'une part, l'exfoliation en milieu liquide permet de produire des dérivés du graphène tels que le few-layer graphene (FLG) à relativement grande échelle, pour des applications telles que les nanocomposites. Le défi principal consiste à augmenter la concentration en FLG autant que possible dans des solvants à bas point d'ébullition, tout en conservant une bonne qualité. De ce fait, une étude comparative de l'exfoliation dans l'alcool isopropylique de 3 poudres de graphite différentes a été entreprise. Des suspensions de FLG (< 5 feuillets) de concentration élevée (environ 1,3mg/mL) ont été obtenues en partant de poudre de graphite de surface spécifique élevée, par sonication dans l'alcool isopropylique (cuve, 90 min). Ces nanoparticules ont ensuite été incorporées dans des nanocompositres à matrice alumine. Ainsi, nous avons préparé par frittage SPS des nanocomposites à matrice céramique possédant des propriétés mécaniques, thermiques et électriques anisotropes du fait de l'orientation préférentielle du FLG dans la matrice.
D'autre part, des films de graphène alliant une grande surface et une grande qualité, prometteurs pour des applications dans le domaine de l'électronique, ont été synthétisés par CVD basse pression sur des feuilles de cuivre. L'influence de la nature du catalyseur (Cu) et des impuretés qu'il contient sur la qualité, le nombre de couches et l'uniformité des films de graphène a été étudiée en prenant en compte les effets de la nature de l'atmosphère de travail et du nettoyage du cuivre sur la quantité et la nature des impuretés présentes. De plus, nous avons optimisé le transfert du graphène depuis la feuille de cuivre sur des substrats diélectriques. Des films de graphène CVD de haute qualité (très peu de désordre de structure) ont été utilisés pour la réalisation de dispositifs. Ces derniers ont été caractérisés à température ambiante en mesurant leur résistance électrique en fonction de la tension grille ainsi que par des mesures de transport en régime d'effet Hall quantique (basse température et forts champs magnétiques - pulsés). Les résultats préliminaires obtenus confirment que du graphène monofeuillet possédant une bonne mobilité électronique atteignant jusqu'à 45000 cm²/Vs à température ambiante a pu être synthétisé avec succès. |
Graphene is a promising material for many applications due to its unique electrical, thermal and mechanical properties. However, the properties and the yield of graphene-based materials show variations depending on which production route is used. Therefore, an appropriate production method has to be preferred according to the requirements of a specific application. In this thesis study, graphene-based materials have been successfully produced by liquid phase exfoliation (LPE) and chemical vapor deposition (CVD), which are promising graphene production methods in terms of quality, scalability, cost and applicability of the produced material to relevant applications.
LPE route allows one to produce graphene-based materials at a large-scale for applications such as nanocomposites. The challenge of this method is to increase graphene concentration as much as possible in low boiling point solvents while maintaining the quality of the graphene flakes. Therefore, a comparative study, at which three different graphite-based powders were investigated as starting materials for an effective exfoliation process in isopropyl alcohol (IPA), was performed. High concentration (ca.1.3 mg/ml), few-layer (< 5 layers) graphene-based dispersions were prepared in IPA within short bath sonication time (90 min) by utilizing a high surface area graphite powder. This graphene-based material was then incorporated into Al2O3 matrix nanocomposites as a reinforcing/filler phase. Consequently, ceramic matrix nanocomposites which exhibit anisotropic mechanical, thermal and electrical properties due to preferential orientation of the graphene-based material throughout the matrix, have been successfully prepared by spark plasma sintering.
On the other hand, high quality and large-area graphene films, which are promising for electronic applications, were synthesized via low-pressure CVD method over Cu-foils. The influence of the type of catalyst material (Cu foil) and of the impurities originating from the catalyst material on quality, number of layers and uniformity of the graphene films was investigated. The effects of ramping atmosphere and the catalyst pre-cleaning on the amount and type of the impurities were also examined. Moreover, optimization studies of the transfer of synthesized graphene from Cu foils onto dielectric substrates were performed. High quality CVD-grown graphene films with a significantly reduced disorder level were used for device fabrication. The prepared devices were characterized in terms of their electrical resistance at room temperature as a function of gate voltage and transport property measurements in Quantum Hall Effect (QHE) regime (at low temperature and high magnetic field) by pulsed magnetic field experiments. The preliminary results confirmed that single layer graphene with a relatively high electronic mobility reaching up to 45000 cm2/Vs at room temperature was successfully produced. |