Single shot ablation of monolayer graphene by spatially shaped femtosecond laser pulses

• Main Author: Gil Villalba, Abel
• Other Authors: Bourgogne Franche-Comté
• Language: en
• Published: 2017
• Subjects: Graphène; Ablation; Laser femtoseconde; Graphene; Femtoseconde laser; 535
• Online Access: http://www.theses.fr/2017UBFCD028/document

Depuis sa découverte expérimentale en 2004, le graphène a émergé comme un matériau potentiel pour les technologies de nouvelle génération. Le graphène était le premier matériau 2D produit et l’intérêt et qu’il suscite provient de ses remarquables propriétés: il possède d’importants coefficients de mobilité électronique et de conductivité thermique, il est également le matériau le plus solide et léger connu. Pour permettre le développement d’applications à l’ échelle industrielle, des technologies de structuration à l’ échelle submicronique sont nécessaires.Cette thèse se concentre sur l’exploration de l’ablation par laser femtoseconde en tant que technique de structuration rapide et peu coûteuse de structuré graphène obtenu par technique CVD (Chemical Vapor Deposition). L’utilisation d’impulsions laser ultra brèves est a priori intéressante en raison de la capacité des impulsions laser ultra brèves à déposer au sein des matériaux une quantité élevée d’ énergie dans un volume extrêmement confiné.Nous avons réalisé un ensemble d’expériences à partir de faisceaux non-diffractants pour caractériser les paramètres requis pour contrôler l’ablation à l’ échelle sub-micronique. Nous avons déterminé les caractéristiques de l’ablation en régime mono-coup pour le graphène CVD, tels que le seuil d’ablation et la probabilité d’ablation. Pour cela, nous avons développé une nouvelle technique de mesure indépendante du seuil indépendante de la taille de la zone ablatée. Nous avons ainsi pu mettre en évidence un écart par rapport au modèle classique d’ablation, l’effet des différents substrats diélectriques, ainsi que le rôle des joints de grain.Nos résultats montrent que l’ablation mono-coup par impulsion femtoseconde est une technique efficace pour des structures au-delà d’une taille caractéristique de 1 _m, mais en dessous de cette dimension, de nouvelles stratégies d’illuminations se révèlent encore nécessaires. === Since its isolation in 2004, graphene has emerged has a potential material for next generation technologies.Graphene was the first truly 2D material produced. The interest in this material is due to its outstandingproperties: graphene is the lightest and strongest material known. It has a large electronic mobility andthermal conductivity. To enable the development of technological applications at industrial scale, fast patterningtechniques, operable at sub-micron scale are needed.This thesis focuses on the requirement of a fast, easily reconfigurable, low cost method to pattern graphene.The aim of our research is to determine the possibilities and constraints of ultrafast laser ablation of CVDgraphene at sub-micron scale. Using ultrafast laser to pattern graphene layers is interesting due to the abilityof femtosecond laser pulses to accurately depositing a high energy density in confined regions.We performed a set of experiments using non-diffractive shaped-beams to characterize the parametersrequired to control laser material processing at such small scale. We determined laser patterningcharacteristics on CVD monolayer graphene such as the ablation threshold and the ablation probability. To thisaim, we have developed a novel technique to measure ablation threshold that is independent of the ablated sizeand reported unexpected deviation from the threshold model, we also investigated the influence of differentdielectric substrates and the effect of the presence of graphene grain boundaries. From our experimentalresults we conclude that direct single shot laser patterning is a very effective method to pattern features above 1 µm, but below this dimension, novel illumination strategies are needed