Couche de graphène avec motifs en diamane/graphane vers des dispositifs plats de sonde – GLADIATOR

Le projet GLADIATOR a pour objectif de créer sur des graphènes monocouche ou bicouche des zones de carbone sp3 appelées graphane ou diamane au sein du carbone sp2, afin d’en étudier les propriétés et de s’en servir dans des applications micrométriques et nanométriques. La preuve d’une synthèse réussie du diamane a été obtenue au sein de notre consortium en 2020. La conversion de carbone sp2 en carbone sp3 d’une bicouche de graphène est obtenue au moyen d'un procédé d'hydrogénation à basse température sans pression, parfaitement compatible avec un éventuel transfert industriel ultérieur. GLADIATOR associe des savoir-faire en modélisation, synthèse de diamane par hydrogénation, étude de propriétés optiques et électroniques de matériaux 2D, et réalisation de dispositifs. Les simulations envisagées à partir de calculs à base de premiers principes mais aussi de dynamique moléculaire et de type Monte-Carlo permettront de guider et d’optimiser les conditions d'hydrogénation. Des masques permettront de sélectionner les zones à hydrogéner et ainsi de former des matériaux 2D hybrides dans le plan totalement nouveaux et prometteurs, et de générer les motifs recherchés pour la caractérisation fine ainsi que pour les applications. Pour caractériser les zones hydrogénées et les interfaces de carbone sp2/sp3, des techniques de champ proche (microscope à force atomique, microscope à sonde de potentiel de surface Kelvin, spectroscopie Raman amplifiée par effet de pointe et force atomique induite par de la lumière) seront utilisées. De fortes déformations (4%), liées à des dimensions de maille un peu différentes, sont à prévoir. Elles devront être évaluées expérimentalement et par le calcul, aussi bien pour les zones graphéniques que pour les zones diamane et graphane. De même, la stabilité de la liaison C-H en fonction du taux de couverture et des différentes configurations (hybrides graphène/graphane et graphène/diamane) sera analysée en détail. La partie applicative, qui peut être menée en parallèle d’une partie plus fondamentale, portera sur l’utilisation de zones isolantes (semi-conductrices à grands gaps) dessinées dans une grande couche conductrice graphénique (plusieurs cm) dans le cas d’applications de type capteur, et sur l’utilisation de nanorubans aux bords non-libres pour des applications de nanoélectronique plus exigeantes et nécessitant, souvent, de faire varier la température lors des mesures.