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Synthèse contrôlée de nanotubes de carbone

Vers la synthèse contrôlée des nanotubes de carbone monoparois avec sélectivité de leurs propriétés electroniques

Thèse préparée par Samolé Forel

École doctorale de l'école polytechnique

  • Ecole polytechnique : Costel-Sorin Cojocarru
  • IFSTTAR : Fatima Bouanis

Présentation du sujet

Ce n’est qu’en 1991, que les nanotubes de carbone (NTC), mis en évidence dès 1952 par des scientifiques russes, ont été remis sur le devant de la scène scientifique par Iijima au « NEC Foundamental Research Laboratory » au Japon. Suite à cette redécouverte, la communauté scientifique s’est largement penchée sur les propriétés uniques et remarquables de ces structures. En effet, un nanotube de carbone est un arrangement hélicoïdal d’atomes de carbone, disposés dans une structure planaire hexagonale, présentant des rapports de forme pouvant dépasser les 1/1000. Cette structure cristalline possède des caractéristiques électriques exceptionnelles (conductivité de 4 × 109 A/cm2, mobilité théorique de 100 000 cm2 V-1s-1); elle présente également des propriétés mécaniques très intéressantes (module d’Young de l’ordre du TPa, limite d’élasticité supérieure à 10GPa et des tensions de rupture supérieures à 15%) et des caractéristiques thermiques (conductivité thermique de 3500 W·m−1·K−1) largement supérieures aux meilleurs matériaux connus jusqu'à présent. Ces propriétés inconnues jusqu’alors ont permis d’envisager leur utilisation pour des applications aussi diverses que le renforcement et l’allègement des structures mécaniques (remplacement du Kevlar, par exemple), pour le refroidissement de circuits électroniques, mais aussi pour les écrans plats, les pointes de microscope à force atomique, le stockage de l’hydrogène, les batteries nouvelle génération, les supercapacités, la réalisation de muscle artificiel ou les électrodes transparentes.

Les potentialités sont donc exceptionnelles et justifient le nombre d’études consacrées aux NTC. Néanmoins des problèmes liés à la synthèse de nanotube de carbone sont la reproductibilité et la fiabilité des caractéristiques des nanotubes produits se posent lorsque l’intégration des NTC dans des dispositifs est envisagée. Jusqu’à présent, à notre connaissance il n'existe pas de méthode fiable permettant de produire des NTC aux propriétés ciblées : contrôle de la chiralité et le 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 NTC pour la réalisation des dispositifs électroniques : transistors à effet de champs, NEMS, capteurs...

Les objectifs de cette thèse sont le développement et l’optimisation d’une synthèse contrôlée des nanotubes de carbone avec une sélectivité de la chiralité (métalliques ou semi-conducteurs) et également d’explorer et de comprendre les mécanismes à l’origine de cette sélectivité. Les nanotubes ainsi synthétisés seront également utilisés pour réaliser des dispositifs électroniques.

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