Optimisation de la synthèse de graphène par la méthode du chauffage inductif

Résumé

Cette thèse est dédiée à une meilleure compréhension de la croissance du graphène sur un substrat de cuivre Cu chauffé par induction électromagnétique. Il s’agit d’un procédé de dépôt chimique en phase vapeur CVD qui a été développé au Laboratoire des Sciences et des Procédés des Matériaux (LSPM) à l’Université Sorbonne Paris-Nord pour synthétiser du graphène par chauffage inductif. Les propriétés exceptionnelles du graphène ont en effet motivé la recherche de divers procédés de synthèse pour exploiter ses applications prometteuses. La méthode du chauffage inductif se distingue par sa rapidité et son efficacité conduisant in fine à un meilleur contrôle des conditions de croissance du graphène. Les expériences ont été menées en présence des gaz Ar/H2/CH4, avec le méthane agissant comme précurseur, apportant l'élément carbone au milieu réactionnel. Le cuivre a joué le rôle de catalyseur pour la nucléation et la croissance du graphène, tout en servant de substrat chauffé par induction électromagnétique. Des ajustements des paramètres opératoires du procédé et une oxydation du substrat de cuivre ont permis de réduire la densité de nucléation, conduisant à une amélioration de la taille des monocristaux formés et de la qualité du graphène obtenu. L'investigation expérimentale de l'évolution de la morphologie et de la taille des domaines de graphène met en lumière le rôle crucial de certains paramètres opératoires dans le contexte de la CVD par l'induction. Pour la modélisation numérique, un étalonnage thermique et le calcul de la température du cuivre ont été élaborés en résolvant les équations couplées du champ électromagnétique et des équations du transfert thermique sous COMSOL. Des tests de synthèse et de caractérisation du graphène à partir de diverses sources carbonées ont également été réalisés. Afin de mieux comprendre et corréler les résultats expérimentaux, un modèle thermocinétique global, prenant en compte la chimie homogène, la chimie de surface, et l'aspect hydrodynamique du processus, a été testé dans les conditions spécifiques des expériences.

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