Note publique d'information : Le graphène est l'un des candidats les plus prometteurs pour la fabrication des futurs
dispositifs électroniques. Ses remarquables propriétés électroniques découlent de
sa structure atomique et sont caractérisés par un gaz bidimensionnel d'électrons à
l'échelle macroscopique et des états moléculaires à l'échelle nanométrique. Cette
thèse a pour but de structurer le graphène sur une large gamme d'échelle de longueurs
pour produire des nano rubans de graphène (GNR) connectés à des électrodes de graphène.
Les trois principaux objectifs sont (i) produire, contacter et structurer des GNR
jusqu'à une largeur de 10 nm et une longueur de plusieurs centaines de nanomètres,
(ii) planifier toutes les étapes de ce processus tout en minimisant la contamination
pour obtenir, à terme, des échantillons compatibles avec l'ultravide et (iii) graver
des GNRs tout en préservant la qualité cristallographique du graphène et minimisant
son amorphisation. La première partie est dédiée à la caractérisation du graphène
monocouche par des analyses topographiques AFM et spectroscopiques Raman. Nous montrons
que ces techniques sont limitées, l'une, par une faible reproductibilité de la mesure
de la hauteur apparente et l'autre, par une faible sensibilité aux défauts peu denses.
Cependant, l'origine de l'instabilité de la mesure AFM a été identifiée comme résultant
de la présence d'un ménisque d'eau. Des conditions de fonctionnement stable ont été
trouvées et conduisent à des mesures de hauteur apparente reproductibles. Pour augmenter
le signal Raman dû aux défauts dans le graphène, nous avons suivi l'évolution de l'intensité
du signal dans le voisinage de nano-bâtonnets d'or cristallins placés près des bords
du graphène. Une seconde partie décrit en détail comment nous avons directement gravé
des GNR dans le graphène en utilisant un faisceau électronique de faible énergie (1-20
keV) en présence de vapeur d'eau. Nous montrons que la gravure induite par un faisceau
électronique (EBIE) produit des GNRs de moins de 20 nm de large et longs de plusieurs
centaines de nanomètres ou des tranchées longues de plusieurs micromètres permettant
d'isoler un GNR du feuillet de graphène. Une attention particulière a été portée à
la caractérisation de la qualité structurale des bords des GNR. La microscopie électronique
en transmission avec correcteur d'aberrations montre que le graphène est intact à
moins de 2 nm d'un bord de découpe EBIE. La dernière partie est dédiée à l'application
de cette technique EBIE prometteuse pour fabriquer des GNR contactés électriquement
dans un dispositif à effet de champ. Nous montrons que des dispositifs de graphène
sur silice sont amorphisés de manière significative par des électrons rétrodiffusés.
Un nouveau dispositif a été conçu et réalisé qui consiste à suspendre localement le
graphène et a permis de fabriquer des GNR (typiquement 30x200 nm) connectés par des
électrodes sur un substrat possédant une grille arrière. Ce travail ouvre la voie
pour la mesure de transport électronique dans des GNR et, au-delà sur des structures
plus complexes basées sur les GNRs. Il constitue la première étape vers une technologie
atomique intégrée pour des dispositifs d'électronique moléculaire à base de graphène.
Note publique d'information : Graphene is one of the most promising candidates to build future electronic devices.
Its peculiar electronic properties derive from its atomic structure and are characterized
by a two-dimensional electron gas at macroscopic scale and molecular states at the
nanometer scale. This thesis work aims at patterning graphene monolayer over this
entire range of length scales to produce arbitrarily shaped graphene nanoribbons (GNR)
continuously connected to graphene pads. The three main objectives consist in (i)
producing, contacting and patterning graphene monolayer down to features size of about
10 nm for a ribbon length of several hundreds of nanometers, (ii) integrating all
steps while minimizing contamination to ultimately reach UHV-compatible samples and
(iii) etching GNRs while preserving the high crystallinity of graphene and minimizing
its amorphization. The first part will focus on the characterization of the graphene
monolayer itself by ambient AFM topography and Raman spectroscopy. We show that these
techniques suffer from a poor reproducibility of the height measurement and a limited
sensitivity to low defect density. However, the source of AFM instabilities is identified
as the presence of a water meniscus. Stable operating conditions are found and yield
reproducible height measurements. In order to enhance the Raman signal of defects
in graphene, we investigate the intensity evolution near crystalline gold nanorods
placed close to graphene edges. The second part describes in detail how GNR can be
etched directly in graphene using a low energy (1-20 keV) electron beam in the presence
of water vapor. We show that electron beam induced etching (EBIE) can produce < 20
nm-wide GNRs with length of hundreds of nanometers or micrometer-long trenches to
isolate the GNR form the graphene sheet. A particular attention is paid to the characterization
of the structural quality of the GNR edges. A spherical aberration corrected TEM analysis
demonstrates that the graphene lattice is intact at less than 2 nm from the EBIE-cut
edges. The last part is dedicated to the application of our promising EBIE method
to the fabrication of contacted GNR electronic field-effect devices. We show that
graphene devices supported on silica are significantly amorphized by backscattered
electrons. A new design of devices made of locally suspended graphene is proposed
and makes it possible to produce GNRs (typically 30x200 nm) connected to electrodes
on a back-gated substrate. This work opens the way to electrical transport measurements
of GNR and, beyond, GNR-based complex structures and constitutes the first step towards
an integrated atomic technology of molecular graphene devices.
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