Croissance et transfert de graphène pour la fabrication d'électrodes transparentes

Ce mémoire de maîtrise porte sur la caractérisation et l'optimisation d'électrodes transparentes et conductrices de graphène. Nous avons utilisé un procédé de croissance CVD à basse pression, avec du méthane comme source de carbone et du cuivre comme support et catalyseur de croissance, pour synthétiser le graphène. Les couches de graphène ainsi déposées sont complètes et uniformes, tel qu'observé par microscopie électronique à balayage et par spectroscopie Raman. Une méthode utilisant un polymère (PMMA) comme support mécanique a été optimisée pour le transfert du graphène vers différents substrats, tels du verre ou du silicium recouvert d'oxyde de silicium. La caractérisation par microscopie optique et électronique à balayage et par spectroscopie Raman des échantillons transférés démontre que le procédé de transfert n'endommage pas le graphène et laisse la surface exempte de résidus apparents de contamination. Les mesures de cartographie Raman montrent une très faible intensité du pic associé aux défauts, preuve que la croissance produit du graphène de haute qualité. Ce procédé de transfert a été appliqué pour réaliser des électrodes transparentes comportant entre une à quatre couches de graphène empilées. Ces électrodes ont été caractérisées par spectroscopie Raman, par des mesures en transmission optique et par des mesures de résistance électrique par la méthode de van der Pauw. Les résultats de spectroscopie Raman montrent que le niveau de dopage des échantillons diminue lorsqu'on augmente le nombre de couches de graphène. Les mesures optiques montrent une transparence variant entre 97,5 et 90%pour une longueur d'onde entre 400 et 1000 nm en fonction du nombre de couches empilées. La résistance de feuille des électrodes varie entre 560 et 360, une performance équivalente, voire supérieure à celle des électrodes de graphène présentées dans la littérature. Une méthode électrochimique est utilisée pour doper les échantillons à des niveaux très élevés,diminuant la résistance de feuille jusqu'à 260 pour une électrode de graphène monocouche. Ce dopage permet de varier le travail de sortie du graphène entre 3,9 et 5,6 eV. L'ensemble de ces résultats démontre que le graphène est un matériau idéal pour être utilisé comme électrode transparente, étant donné ses excellentes propriétés optiques et électriques ainsi que la possibilité de modifier simplement son travail de sortie, permettant de minimiser la résistance de contact avec divers matériaux semiconducteurs.

Abstract

This master's thesis focuses on the characterization and optimization of transparent and conductive electrodes made from graphene layers. We used a low pressure CVD method, with methane as the carbon source and copper as a catalyst and growth support, to synthesize graphene. Scanning electron microscopy and Raman spectroscopy were used to demonstrate that the graphene layers are complete and uniform. A method using a polymer (PMMA) as a mechanical support has been optimized for the transfer of graphene films onto various substrates, such as glass or silicon dioxide on silicon. Characterization of transferred samples by optical and scanning electron microscopy and Raman spectroscopy reveals that transferred films are undamaged and that the surface is free of visible residues. The intensity of the defect-related peak in Raman mapping measurements is low, indicating that the as-grown and transferred graphene layers are of high quality. This transfer process has been applied to fabricate transparent electrodes with one to four layers of graphene. The electrodes were characterized by Raman spectroscopy, optical transmission analyses and electrical resistance measurements using the van der Pauw method. Raman results indicate that the average doping level of the samples decreases with an increasing number of graphene layers. The optical measurements yield transparency values ranging from 97.5 to 90 % for wavelengths between 400 and 1000 nm, depending on the number of stacked layers. The sheet resistance of the electrodes varies between 560 and 360, which is an equivalent or superior performance to that of graphene electrodes reported in the literature. An electrochemical method was used to dope the samples in an ionic liquid to vary the Fermi level and to decrease the sheet resistance down to 260for a monolayer graphene electrode. This doping allows to vary the work function of graphene between 3.9 and 5.6 eV. Taken together, these results demonstrate that graphene appears as an ideal material to be used as transparent electrode given its excellent optical and electrical properties as well as the ability to easily modify its work function and thus minimize the contact resistance with various semiconductor materials.