Les défauts atomiques jouent un rôle crucial dans la détermination des propriétés des matériaux bidimensionnels (2D), comme le graphène. Le contrôle de ces défauts, y compris leur structure, leur taille et leur densité, peut fournir un moyen efficace de réguler les propriétés existantes ou d'intégrer de nouvelles propriétés dans le graphène pour les applications souhaitées. Par exemple, l'intégration des pores dans le graphène avec une distribution de taille étroite peut étendre l'applicabilité du graphène à une large gamme de membranes de séparation moléculaire, telles que la filtration des gaz et la purification de l'eau. Cependant, l'intégration des défauts atomiques dans le graphène avec une précision d'angström et l'accès à des informations aussi précises à l'échelle atomique sont extrêmement difficiles, mais nécessaires pour les développements technologiques avancés basés sur le graphène. Avec l'application de la microscopie électronique à transmission corrigée des aberrations (AC-TEM), qui est principalement utilisée dans ce travail de thèse, il est possible de résoudre la structure atomique du graphène avec une sensibilité à un seul atome. L'AC-TEM moderne se distingue comme la technique la plus puissante pour une étude complète des matériaux atomiquement minces, y compris leur structure atomique, leur composition chimique, leur champ électrique local atomique et les propriétés associées autour d'un seul atome. En particulier, nous avons cherché à étudier les défauts atomiques dans les monocouches de graphène, y compris les pores à l'échelle nanométrique par AC-TEM. Dans un premier temps, nous avons développé une procédure de nettoyage de surface robuste à base de plasma pour le graphène, qui est essentielle pour la formation de défauts de taille contrôlée dans le graphène et pour les étudier avec précision par TEM haute résolution (HR). En outre, la contamination de surface est l'une des plus grandes limitations pour que le graphène soit pratiquement utilisé pour de nombreuses applications. Ensuite, pour générer des pores à l'échelle nanométrique de différentes tailles, nous avons utilisé un autre plasma évolutif dans un système de plasma à distance, et l'interaction entre le plasma et le graphène a été étudiée par HR-TEM. En outre, la relation structure-mouillabilité des échantillons de graphène modifié par plasma a été étudiée. La deuxième partie de cette thèse contribue à la mise en place d'une nouvelle technique de balayage (S)TEM, STEM à quatre dimensions (4D) pour extraire des informations de champ électrique atomique local dans des matériaux 2D. Cette technique a le potentiel de fournir des fluctuations de propriétés physiques atomiques locales associées à des défauts atomiques dans un matériau 2D qui peuvent aider à comprendre et à contrôler la propriété finale des matériaux. En utilisant les informations du champ électrique atomique, nous avons démontré l'applicabilité de cette technique pour la détection d'un atome de dopant léger dans un matériau dichalcogénure de métal de transition (TMD).

Contact : Hanako Okuno​