Les nanotubes de carbone (NTCs) n’ont eu de cesse, depuis leur découverte, de passionner la communauté scientifique. Leurs propriétés électroniques, optiques et mécaniques exceptionnelle en font l’un des matériaux les plus prometteurs des nanotechnologies. Néanmoins des problèmes liés à leur manipulation, organisation et mise en forme se posent lorsque l’intégration des NTCs dans des dispositifs est envisagée. Jusqu’à présent, à notre connaissance il n'existe pas de méthode fiable permettant de produire des NTCs aux propriétés ciblées : contrôle de la chiralité et du diamètre. Cette absence de contrôle des propriétés du matériau au niveau de la production est perçue comme un verrou fondamental pour l'exploitation des NTCs pour la réalisation des dispositifs électroniques : transistors à effet de champs, NEMS, capteurs...

Pour résoudre les problèmes liés à la manipulation des NTCs nous avons étudié une nouvelle approche basée sur la chimie de coordination de surface (Fig.I.1). L’objectif de cette nouvelle stratégie est d’obtenir un meilleur contrôle des caractéristiques (taille, composition chimique) des nanoparticules métalliques classiquement utilisées comme catalyseurs pour la croissance des NTCs par CVD sur différents substrats.

L’originalité de cette approche est donnée par le fait qu’en fonction d’une part de surface géométrique du ligand utilisé, et d’autre part du nombre de sites de greffage présents sur la surface, on contrôle la densité surfacique d’un ion métallique donné. Ceci permettra par conséquent de contrôler la densité de nanoparticules métalliques de catalyseur sur la surface ainsi que leur diamètre, c.-à-d. d’obtenir des tapis dilués de nanotubes de carbone monoparois (SWNTs). Basés sur cette approche des dispositifs électroniques (transistors à effet de champ, capteurs chimiques/biologiques) peuvent ainsi être envisagés, avec d’excellentes caractéristiques (mobilité de porteurs, pentes sous seuil…) tenant compte de la simplicité du procédé de fabrication. Des SWNTs (Figure 2.a) sélectifs et de très bonne qualité ont été obtenus en utilisant cette approche.

La possibilité de synthétiser des SWCNTs sélectifs avec une chiralité connue offre une opportunité unique de réaliser des transistors à base de SWCNTs de très haute performance. L’avantage de notre approche est la synthèse d’un tapi dilué des SWCNTs, ceci facilitera l’élimination complète de nanotubes de carbone métalliques (en les « brulant » sélectivement sous forte intensité après déplétion des nanotubes semi-conducteurs, procédé initialement proposé par IBM, , P.C. Collins et al., Science, 292, 706, 2001).

Les transistors réalisés à base de ces SWNTs sur des substrats de silicium avec une couche d'oxyde de 100nm ont présenté de très bonnes performances: un courant à l’état passant (Ion) élevé et un rapport entre les courants dans l’état passant (Ion) et dans l’état bloqué (Ioff) élevé (109) (Figure I.2b). Ces résultats sont les meilleurs résultats obtenus jusqu’à présent pour les transistors à base de NTCs et dépassent largement les caractéristiques obtenus dans le cas des transistors à nanotube de carbone unique.

En raison de leur sensibilité exceptionnelle à leur environnement proche, les nanotubes de carbone ont été massivement utilisés dans des capteurs innovants, en particulier les capteurs flexibles qui sont la clé de voute de la nouvelle génération de matériaux intelligents (textiles, matériaux de construction, véhicules…). Mais, pour que ces capteurs aient des applications réelles, il faut prouver qu’ils peuvent être fabriqués de façon reproductible. Ce qui est un enjeu scientifique en soi quand les objets atteignent des dimensions nanométriques.

Les études existantes sur les capteurs flexibles ou rigides se limitent à comparer, le plus souvent qualitativement, les sensibilités de 2 à 4 capteurs. Une unique étude, sur des capteurs chimiques sur substrat rigide, analyse 21 dispositifs, et reporte près de 2 ordres de grandeur de variabilité sur les performances des capteurs. Cette étude, intitulée « Universal Parameters for Carbon Nanotube Network-Based Sensors: Can Nanotube Sensors Be Reproducible ? » et publiée dans ACS Nano, souligne les difficultés scientifiques et techniques à obtenir la reproductibilité des capteurs flexibles à nanotubes de carbone.

Dans notre article intitulé « Reproducibilité exceptionnelle et absence d’hystérésis dans des capteurs de deformation flexible fabriqués par impression jet d’encre de nanotubes de carbone », Fulvio Michelis, Laurence Bodelot, Yvan Bonnassieux, Bérengère Lebental, accepté en Aout 2015 pour publication dans le journal Carbon, nous montrons quantitativement sur une série de 8 dispositifs que la variabilité sur la sensibilité est de seulement 8% en température et de 16% en déformation. Il s’agit donc de l’étude la plus complète (en nombre de capteurs) sur les capteurs flexibles à nanotubes, et de la sensibilité la plus basse reportée à ce jour parmi tous les types de capteurs à nanotubes de carbone. Nous montrons également l’absence d’hystérésis de nos capteurs, là encore une réussite rare dans la littérature des capteurs de déformation à nanotubes de carbone.