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Alexandre Artaud

Quasi-ordre à longue distance et défauts topologiques dans le graphène sur rhénium étudié par microscopie à effet tunnel

Publié le 28 février 2017


Thèse soutenue le 28 février 2017 pour obtenir le grade de docteur de la Communauté Université Grenoble Alpes - Spécialité : Physique de la matière condensée et du rayonnement

Résumé :
La découverte du graphène en 2004 constitue une double avancée en physique de la matière condensée. D'une part, ses propriétés électroniques sont celles d’un gaz de fermions de Dirac sans masse. D'autre part, sa structure fournit le tout premier exemple d’un matériau ordonné à deux dimensions. Cette seconde caractéristique est étudiée dans cette thèse par microscopie à effet tunnel (STM), dans le cas du graphène synthétisé en ultra-haut vide sur la face (0001) du rhénium. A deux dimensions, l’ordre cristallin est en effet impossible, et il est prédit qu’un quasi-ordre à longue distance s’y substitue, où la phase du paramètre d’ordre fluctue. Le substrat de rhénium intervient alors comme une influence extérieure qui peut restaurer l’ordre cristallin, en forçant la structure du graphène à épouser une relation d’épitaxie avec le rhénium. L’étude proposée de la structure du graphène démontre qu’elle est en fait tributaire de contraintes cinétiques héritées de sa croissance. Plusieurs nanostructures caractéristiques ont ainsi été identifiées à l’échelle atomique, permettant de remonter au mécanisme de croissance. Deux chemins réactionnels y entrent ainsi en compétition. Le premier aboutit à une famille d’agrégats de carbone métastables, de structures bien définies, en épitaxie sur le rhénium. Le second mène à la croissance d’îlots de graphène qui s’étendent sur quelques nanomètres. La coalescence de ces îlots et l’incorporation des agrégats en leur sein conduit à des défauts structurels dont la structure atomique est détaillée pour la première fois. Cette étude exhaustive révèle la diversité des chemins réactionnels lors de la croissance de graphène sur rhénium, qui sont autant de compromis entre cinétique et thermodynamique. Au terme de cette croissance, le graphène obtenu n’est pas uniforme, mais constitué de domaines s'étendant sur des distances de l'ordre de 10 nm. Chaque domaine présente une relation d'épitaxie entre le graphène et le rhénium qui lui est propre, où le graphène s'avère à la fois tourné et cisaillé par rapport à son substrat, comme le montre une méthode d’analyse d’images STM développée à cet effet. L’élaboration d’une classification universelle de ces relations d'épitaxie montre leur grande diversité. Deux interprétations se confrontent alors. Les parois entre domaines de graphène peuvent en effet être interprétées comme des défauts topologiques dans l’ordre cristallin imposé au graphène par le substrat de rhénium. Alternativement, ce sont des modes de fluctuations dont la dynamique est gelée par l’interaction avec le substrat. Ces résultats remettent donc en question la notion d’ordre cristallin imposé par son substrat à un matériau bidimensionnel. Ils montrent qu’au lieu de forcer une relation d'épitaxie particulière, l’interaction du graphène avec son substrat donne lieu à une phase dite chaotique.

Jury :
Président : Dr Marek Potemski
Rapporteur : Dr Mark Oliver Goerbig
Rapporteur : Pr José Ángel Martín-Gago
Examinateur : Dr Claudine Noguera
Examinateur : Pr Richard Berndt
Directeur de thèse : Dr Claude Chapelier
Thèse codirigée par : Dr Johann Coraux

Mots clés :
Quasi-Ordre à longue distance, STM, Graphène, Défauts topologiques

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