Cartographie du flux de chaleur dans de grandes bulles de graphène

jeudi 03 mai 2018

On montre qu'avec un seul faisceau laser, il est possible de mesurer la distribution de température d'une minuscule bulle de graphène et de contrôler sa température. En même temps, nous avons pu déterminer la conductivité thermique du graphène et à quel point le graphène est attaché au substrat. Les variations de température ont été identifiées à partir des changements spectraux observés.

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Schéma de la bulle de graphène sur un substrat d'interférentiel avec l'onde stationnaire optique. La tache rouge indique où la bulle chauffe le plus.
© CEMES-CNRS

La nature hautement élastique et flexible du graphène permet la création de grandes bulles stables sur sa surface (plusieurs micromètres de large et un micromètre d'épaisseur) de manière plus ou moins contrôlée. Ces bulles peuvent servir de microlentilles, être utilisées pour contrôler la morphologie du graphène sur les surfaces ou pour fonctionnaliser chimiquement le graphène sur des régions sélectionnées.

Lorsque le graphène est illuminé avec un faisceau laser, les faisceaux incidents et réfléchis se chevauchent et forment une onde stationnaire optique sur sa surface. Alors que la grande bulle de graphène n'est pas beaucoup perturbée par l'onde stationnaire, l'augmentation de la puissance du laser a pour effet de chauffer sélectivement la bulle de graphène aux maxima d'interférence de l'onde optique stationnaire. De tels changements locaux de température peuvent être détectés en suivant les décalages spectraux dans le spectre vibrationnel du graphène, où des oscillations de décalage et d'intensité d'un pic spectral sont enregistrées lors du balayage du spot laser à travers la bulle de graphène.

En comparant les déplacements spectraux observés expérimentalement avec ceux calculés en utilisant un modèle de diffusion théorique et en tenant compte de la courbure et du flux thermique dans le graphène, nous découvrons que la distribution de température enregistrée sur la bulle dépend à la fois de la conductivité thermique du graphène et du contact au bord de la bulle de graphène avec le substrat. L'effet de chaleur le plus élevé est observé dans la région centrale de la bulle, la plus éloignée de la périphérie de la bulle. Les résultats obtenus confirment la conductivité thermique élevée du graphène précédemment mesuré, démontrant l'excellente adhérence autour du périmètre de la bulle de graphène et fournissant de nouvelles perspectives sur la façon de chauffer les bulles de graphène à des emplacements spécifiques.

 

Référence

Raman spectral band oscillations in large graphene bubbles
Yuan Huang, Xiao Wang, Xu Zhang, Xianjue Chen, Baowen Li, Bin Wang, Ming Huang, Chongyang Zhu, Xuewei Zhang, Wolfgang S. Bacsa, Feng Ding, and Rodney S. Ruoff, 27 April 2018.

 

Contacts

Wolfgang Bacsa, CEMES (CNRS)
Wolfgang.Bacsa chez cemes.fr

Pascal Puech, CEMES (CNRS)
Pascal.Puech chez cemes.fr

 

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